Os cientistas descobriram milhares de exoplanetas, incluindo dezenas de mundos terrestres - ou rochosos - nas zonas habitáveis ​​em torno de suas estrelas-mãe. Uma abordagem promissora para procurar sinais de vida nesses mundos é sondar as atmosferas de exoplanetas em busca de "bioassinaturas" - desvios na composição química que são sinais reveladores de vida. Por exemplo, graças à fotossíntese, nossa atmosfera tem quase 21% de oxigênio, um nível muito mais alto do que o esperado, dada a composição da Terra, órbita e estrela-mãe.

Encontrar bioassinaturas não é uma tarefa simples. Os cientistas usam dados sobre como as atmosferas de exoplanetas interagem com a luz de sua estrela-mãe para aprender sobre suas atmosferas. Mas a informação, ou espectros, que eles podem reunir usando os telescópios terrestres e espaciais de hoje é muito limitado para medir atmosferas diretamente ou detectar bioassinaturas.

Pesquisadores de exoplanetas, como Victoria Meadows, um professor de astronomia da Universidade de Washington, estão focados nos próximos observatórios, como o telescópio espacial James Webb, ou JWST, poderia medir em atmosferas de exoplanetas. Em 15 de fevereiro, na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência em Seattle, Meadows, um investigador principal do Laboratório Planetário Virtual da UW, fará uma palestra para resumir que tipo de dados esses novos observatórios podem coletar e o que eles podem revelar sobre as atmosferas terrestres, Exoplanetas semelhantes à Terra. Meadows conversou com o UW News para discutir a promessa dessas novas missões para nos ajudar a ver os exoplanetas sob uma nova luz.

P:Que mudanças estão ocorrendo no campo da pesquisa de exoplanetas?

Nos próximos cinco a 10 anos, teremos potencialmente nossa primeira chance de observar a atmosfera de exoplanetas terrestres. Isso ocorre porque novos observatórios estão configurados para ficar online, incluindo o Telescópio Espacial James Webb e observatórios terrestres como o Extremely Large Telescope. Muito do nosso trabalho recente no Laboratório Planetário Virtual, bem como por colegas de outras instituições, tem se concentrado em simular como os exoplanetas semelhantes à Terra "parecerão" para o JWST e os telescópios terrestres. Isso nos permite entender os espectros que esses telescópios vão captar, e o que esses dados nos dirão ou não sobre essas atmosferas de exoplanetas.

P:Que tipo de atmosfera de exoplaneta o JWST e outras missões serão capazes de caracterizar?

Nossos alvos são, na verdade, um grupo seleto de exoplanetas que estão próximos - dentro de 40 anos-luz - e orbitam muito pequeno, estrelas legais. Para referência, a missão Kepler identificou exoplanetas em torno de estrelas que são mais de 1, 000 anos-luz de distância. As estrelas hospedeiras menores também nos ajudam a obter melhores sinais sobre a composição das atmosferas planetárias, porque a fina camada da atmosfera planetária pode bloquear mais da luz de uma estrela menor.

Portanto, estamos nos concentrando em um punhado de exoplanetas em busca de sinais de habitabilidade e vida. Todos foram identificados por pesquisas terrestres como TRAPPIST e seu sucessor, SPECULOOS - ambos administrados pela University of Liège - bem como o MEarth Project administrado por Harvard. Os exoplanetas mais conhecidos neste grupo são provavelmente os sete planetas terrestres orbitando TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 é uma estrela M-anã - uma das menores que você pode ter e ainda ser uma estrela - e seus sete exoplanetas se estendem pelo interior e além da zona habitável, com três na zona habitável.

Identificamos TRAPPIST-1 como o melhor sistema para estudar porque essa estrela é tão pequena que podemos obter sinais bastante grandes e informativos da atmosfera desses mundos. Estes são todos primos da Terra, mas com uma estrela-mãe muito diferente, então será muito interessante ver como são suas atmosferas.

P:O que você aprendeu até agora sobre a atmosfera dos exoplanetas TRAPPIST-1?

A comunidade astronômica fez observações do sistema TRAPPIST-1, mas não vimos nada além de "não-detecções". Isso ainda pode nos dizer muito. Por exemplo, observações e modelos sugerem que essas atmosferas de exoplanetas são menos propensas a serem dominadas por hidrogênio, o elemento mais leve. Isso significa que eles não têm atmosfera alguma, ou eles têm atmosferas de densidade relativamente alta como a Terra.

P:Nenhuma atmosfera? O que causaria isso?

As estrelas anãs M têm uma história muito diferente de nosso próprio sol. Após a infância, estrelas semelhantes ao sol brilham com o tempo à medida que se fundem.

M-anãs começam grandes e brilhantes, à medida que colapsam gravitacionalmente para o tamanho que então terão durante a maior parte de suas vidas. Então, Os planetas anões M podem ser submetidos a longos períodos de tempo - talvez até um bilhão de anos - de luminosidade de alta intensidade. Isso poderia tirar a atmosfera de um planeta, mas a atividade vulcânica também pode reabastecer as atmosferas. Com base em suas densidades, sabemos que muitos dos mundos TRAPPIST-1 são susceptíveis de ter reservatórios de compostos - em níveis muito mais elevados do que a Terra, na verdade, isso poderia reabastecer a atmosfera. Os primeiros resultados JWST significativos para TRAPPIST-1 serão:Quais mundos retêm atmosferas? E que tipos de ambientes são eles?

Estou bastante otimista de que eles têm atmosferas por causa desses reservatórios, que ainda estamos detectando. Mas estou disposto a me surpreender com os dados.

Que tipos de sinais o JWST e outros observatórios procurarão nas atmosferas dos exoplanetas TRAPPIST-1. Provavelmente, o sinal mais fácil de procurar será a presença de dióxido de carbono.

P:O CO2 é uma bioassinatura?

Não por conta própria, e não apenas a partir de um único sinal. Eu sempre digo aos meus alunos - olhem bem, olhe para a esquerda. Vênus e Marte têm atmosferas com altos níveis de CO2, mas sem vida. Na atmosfera da Terra, Os níveis de CO2 se ajustam às nossas estações. Na primavera, os níveis diminuem à medida que as plantas crescem e retiram CO2 da atmosfera. No outono, as plantas quebram e o CO2 aumenta. Então, se você vir o ciclismo sazonal, isso pode ser uma bioassinatura. Mas as observações sazonais são muito improváveis ​​com o JWST.

Em vez de, A JWST pode procurar outra bioassinatura potencial, gás metano na presença de CO2. O metano normalmente deve ter uma vida útil curta com o CO2. Então, se detectarmos os dois juntos, algo provavelmente está produzindo metano ativamente. Na terra, a maior parte do metano em nossa atmosfera é produzida pela vida.

P:E quanto à detecção de oxigênio?

O oxigênio sozinho não é uma bioassinatura. Depende de seus níveis e do que mais está na atmosfera. Você poderia ter uma atmosfera rica em oxigênio com a perda de um oceano, por exemplo:a luz divide as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio escapa para o espaço, e o oxigênio se acumula na atmosfera.

O JWST provavelmente não vai pegar oxigênio diretamente da fotossíntese oxigenada - a biosfera com a qual estamos acostumados agora. O Extremely Large Telescope e observatórios relacionados podem ser capazes de, porque eles estarão olhando em um comprimento de onda diferente do JWST, onde eles terão uma chance melhor de ver o oxigênio. O JWST será melhor para detectar biosferas semelhantes ao que tínhamos na Terra bilhões de anos atrás, e para diferenciar entre diferentes tipos de ambientes.

P:Quais são alguns dos diferentes tipos de atmosfera que os exoplanetas TRAPPIST-1 podem possuir?

A fase de alta luminosidade da anã M pode conduzir um planeta em direção a uma atmosfera com um efeito estufa descontrolado, como Vênus. Como eu disse anteriormente, você pode perder um oceano e ter uma atmosfera rica em oxigênio. Uma terceira possibilidade é ter algo mais parecido com a Terra.

P:Vamos falar sobre essa segunda possibilidade. Como o JWST poderia revelar uma atmosfera rica em oxigênio se não pudesse detectar o oxigênio diretamente?

A beleza do JWST é que ele pode detectar processos que acontecem na atmosfera de um exoplaneta. Ele vai pegar as assinaturas de colisões entre as moléculas de oxigênio, o que acontecerá com mais freqüência em uma atmosfera rica em oxigênio. Portanto, provavelmente não podemos ver as quantidades de oxigênio associadas a uma biosfera fotossintética. Mas se uma quantidade muito maior de oxigênio fosse deixada para trás pela perda do oceano, provavelmente podemos ver as colisões de oxigênio no espectro, e isso é provavelmente um sinal de que o exoplaneta perdeu um oceano.

Então, É improvável que JWST nos dê provas conclusivas de bioassinaturas, mas pode fornecer algumas dicas tentadoras, que requerem maior acompanhamento e - avançando - pensando em novas missões além do JWST. A NASA já está considerando novas missões. Quais nós gostaríamos que fossem suas capacidades?

Isso também me leva a um ponto muito importante:a ciência dos exoplanetas é extremamente interdisciplinar. Compreender o ambiente desses mundos requer considerar a órbita, composição, história e estrela hospedeira - e requer a entrada de astrônomos, geólogos, cientistas atmosféricos, cientistas estelares. Realmente é preciso uma aldeia para entender um planeta.