Uma noite amena na Flórida, e minha família e eu estávamos em Cocoa Beach, olhando para o norte em direção à Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral. Éramos parte de uma multidão à beira-mar reunida para testemunhar o lançamento do Telescópio Espacial Kepler da NASA. Conforme a bola de fogo apareceu e lentamente começou a subir à distância, nós aplaudimos com nossos colegas observadores. Cerca de 30 segundos depois, sentimos o estrondo do solo e ouvimos o rugido profundo, assistindo o foguete Delta II subir no céu noturno e acelerar enquanto se dirigia para o oceano.

Kepler passou nove anos no espaço profundo em busca de vizinhos galácticos como nós:planetas do tamanho da Terra orbitando estrelas semelhantes ao Sol. Kepler observou um pedaço da galáxia da Via Láctea que incluía milhões de estrelas. Ele transmitiu dados de quase 200, 000 deles e encontrou mais de 2, 300 exoplanetas - planetas fora do nosso sistema solar.

"Com dados do Kepler, temos informações mais precisas e detalhadas do que nunca, "diz o astrofísico Eric Ford, que fazia parte da equipe científica do Kepler. Ford e seus colegas do Penn State's Center for Exoplanets and Habitable Worlds estão construindo sobre o legado do professor de Evan Pugh Alex Wolszczan, que descobriu os primeiros exoplanetas conhecidos em 1992, usando pesquisas de instrumentos terrestres. "Kepler encontrou milhares de planetas, "Ford diz." Os astrônomos adorariam aprender mais sobre todos eles, mas não há tempo de telescópio suficiente. Uma vez que as pessoas estão particularmente interessadas em aprender mais sobre aqueles que podem se parecer com a Terra, planejamos nos concentrar em caracterizar planetas nas zonas habitáveis ​​de seus sistemas planetários. "

A zona habitável é uma região dentro de um sistema solar - uma distância não muito próxima e não muito longe de um sol - onde um planeta teria as condições necessárias para ter água líquida em sua superfície, um requisito importante para a existência de vida baseada no carbono como a conhecemos. James Kasting, Evan Pugh Professor de Ciências da Terra, foi um dos primeiros desenvolvedores do conceito. A temperatura da superfície do planeta deve estar acima do ponto de congelamento da água e abaixo do ponto de ebulição. Outras condições também entram em jogo, incluindo a massa do planeta, rotação, e atmosfera. Entre os exoplanetas Kepler que foram analisados ​​até agora, várias dezenas são consideradas na zona habitável de sua estrela.

Eric Ford, um membro da equipe científica Kepler, estuda como os planetas se formam e evoluem, tanto em nosso sistema solar como em outros. Muitos dos sistemas encontrados pelo Kepler são muito diferentes dos nossos, levantando novas questões sobre como os sistemas planetários se desenvolvem e por que eles ocorrem em formas tão diversas. O instrumento Kepler foi nomeado em homenagem ao astrônomo alemão Johannes Kepler, que no início de 1600 formulou três leis do movimento planetário.

Como encontrar um exoplaneta

Em sua busca por exoplanetas, a missão Kepler empregou o método de trânsito, usando tecnologia semelhante a uma câmera digital para detectar e medir pequenas quedas no brilho de uma estrela quando um planeta se cruza na frente dela. Com observações de planetas em trânsito, os astrônomos podem calcular a proporção do raio de um planeta em relação ao de sua estrela - essencialmente o tamanho da sombra do planeta - e com essa proporção eles podem calcular o tamanho do planeta. "Sabemos o tamanho de milhares de planetas graças ao método de trânsito, "Ford diz.

Embora sua eletrônica movida a energia solar possa continuar funcionando por muito tempo, no outono passado, O Kepler ficou sem o combustível de hidrazina necessário para se orientar com precisão, e a NASA aposentou a espaçonave. Está agora a 94 milhões de milhas de distância, em uma órbita que segue a Terra em torno do sol. Mas a missão produziu dados suficientes para manter os astrônomos ocupados nos próximos anos. E agora, uma nova missão da NASA está expandindo o censo de exoplanetas de Kepler, visando mais perto, estrelas mais brilhantes.

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), que foi lançado em abril passado, está examinando quase todo o céu, um patch de cada vez, à procura de planetas em trânsito em torno das estrelas mais próximas. Enquanto as estrelas típicas que o Kepler observou foram de 300 a 3, 000 anos-luz de distância (um ano-luz equivale a cerca de seis trilhões de milhas), TESS está olhando para estrelas que estão a apenas dezenas de anos-luz de distância. E ao invés de passar anos olhando para um pedaço do céu, como o Kepler fez, O TESS mudará sua visão de um trecho do céu para o outro.

Usando observações TESS de estrelas mais brilhantes - em média 30 a 100 vezes mais brilhantes do que as estrelas que o Kepler pesquisou - os astrônomos serão capazes de inspecionar planetas mais de perto e fazer observações de acompanhamento com mais facilidade. "Com TESS, estamos nos concentrando na busca de planetas ao redor de estrelas que estão mais perto de nós, já que seremos capazes de caracterizá-los de forma mais eficiente, "Ford diz. Os dados do TESS fornecerão informações sobre o tamanho de um planeta e o período orbital, e observações de acompanhamento com outros instrumentos permitirão aos pesquisadores medir as massas e descrever as atmosferas desses planetas.

Mas tão valioso quanto o método de trânsito é para estudos planetários, tem suas limitações. "Os trânsitos só permitem que você veja os planetas que se cruzam entre nós e a estrela que estamos olhando, "explica o astrofísico Fabienne Bastien." As velocidades radiais nos permitem ver sistemas planetários em outras orientações. "

Também chamada de espectroscopia Doppler, o método de velocidade radial baseado no solo foi na verdade a primeira técnica para detectar exoplanetas hospedados por estrelas semelhantes ao sol. Baseia-se no fato de que uma estrela oscila ligeiramente em resposta ao puxão gravitacional de um planeta em órbita. Esses movimentos minúsculos afetam o espectro de luz da estrela, ou assinatura de cor. À medida que a estrela se afasta ligeiramente de um observador, o comprimento de onda de sua luz aumenta ligeiramente, mudando em direção à extremidade vermelha do espectro. À medida que o planeta em órbita puxa a estrela ligeiramente em direção ao observador, a luz da estrela muda para o azul. Por meio de observações repetidas de mudanças no espectro da estrela, os pesquisadores podem calcular a massa do planeta.

Bastien, cuja pesquisa se concentra nas estrelas hospedeiras de sistemas planetários, combina dados de trânsito com estudos de velocidade radial para aprender mais sobre sóis distantes. "Esses sóis têm manchas e chamas e todos os tipos de atividade que podem imitar ou mascarar um sinal de exoplaneta, "ela diz." Muito do meu trabalho envolve separar o sinal planetário do sinal estelar, para que possamos confirmar que é realmente um planeta que estamos vendo. Penn State já é uma usina de velocidade radial, e estou entusiasmado com dois novos espectrógrafos que são muito mais sensíveis do que os que tínhamos até agora e que farão um avanço dramático em nossos estudos. "

Estes novos de classe mundial, espectrógrafos altamente sensíveis, construído por uma equipe da Penn State liderada pelo astrofísico Suvrath Mahadevan, estão prestes a mudar a paisagem da velocidade radial. Eles medem as velocidades radiais com extrema precisão para caracterizar planetas de baixa massa nas zonas habitáveis ​​de suas estrelas ou perto delas. Um espectrógrafo é projetado para estudo óptico de estrelas semelhantes ao Sol próximas, e o outro para detectar resfriador, mais fraco, estrelas de massa inferior usando luz infravermelha.

"I can't wait to use these spectrographs to explore some ideas I have for finding habitable exoplanets, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Por exemplo, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Por exemplo, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

Para onde vamos daqui?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? Não sabemos ainda. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Felizmente, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."