Um novo estudo fornece a estimativa mais precisa da frequência com que os planetas semelhantes à Terra em tamanho e distância de sua estrela hospedeira ocorrem em torno de estrelas semelhantes ao nosso sol. Saber a taxa em que ocorrem esses planetas potencialmente habitáveis ​​será importante para projetar futuras missões astronômicas para caracterizar planetas rochosos próximos em torno de estrelas semelhantes ao Sol que poderiam sustentar vida. Um artigo descrevendo o modelo aparece em 14 de agosto, 2019 em Astronomical Journal .

Milhares de planetas foram descobertos pelo telescópio espacial Kepler da NASA. Kepler, que foi lançado em 2009 e retirado pela NASA em 2018, quando esgotou seu suprimento de combustível, observou centenas de milhares de estrelas e identificou planetas fora de nosso sistema solar - exoplanetas - documentando eventos de trânsito. Eventos de trânsito ocorrem quando a órbita de um planeta passa entre sua estrela e o telescópio, bloqueando parte da luz da estrela para que pareça escurecer. Medindo a quantidade de escurecimento e a duração entre os trânsitos e usando informações sobre as propriedades da estrela, os astrônomos caracterizam o tamanho do planeta e a distância entre o planeta e sua estrela hospedeira.

"O Kepler descobriu planetas com uma grande variedade de tamanhos, composições e órbitas, "disse Eric B. Ford, professor de astronomia e astrofísica da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. "Queremos usar essas descobertas para melhorar nossa compreensão da formação de planetas e para planejar missões futuras para procurar planetas que possam ser habitáveis. No entanto, simplesmente contar exoplanetas de um determinado tamanho ou distância orbital é enganoso, já que é muito mais difícil encontrar planetas pequenos longe de sua estrela do que encontrar planetas grandes perto de sua estrela. "

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram um novo método para inferir a taxa de ocorrência de planetas em uma ampla gama de tamanhos e distâncias orbitais. O novo modelo simula 'universos' de estrelas e planetas e, em seguida, 'observa' esses universos simulados para determinar quantos dos planetas teriam sido descobertos pelo Kepler em cada 'universo'.

"Usamos o catálogo final de planetas identificados pelo Kepler e aprimoramos as propriedades das estrelas da espaçonave Gaia da Agência Espacial Europeia para construir nossas simulações, "disse Danley Hsu, um estudante de graduação na Penn State e o primeiro autor do artigo. "Comparando os resultados com os planetas catalogados pelo Kepler, caracterizamos a taxa de planetas por estrela e como isso depende do tamanho do planeta e da distância orbital. Nossa nova abordagem permitiu que a equipe considerasse vários efeitos que não foram incluídos em estudos anteriores. "

Os resultados deste estudo são particularmente relevantes para o planejamento de futuras missões espaciais para caracterizar planetas potencialmente semelhantes à Terra. Enquanto a missão Kepler descobriu milhares de pequenos planetas, a maioria está tão longe que é difícil para os astrônomos aprender detalhes sobre sua composição e atmosfera.

"Os cientistas estão particularmente interessados ​​em pesquisar biomarcadores - moléculas indicativas de vida - nas atmosferas de planetas do tamanho da Terra que orbitam na 'zona habitável' de estrelas semelhantes ao Sol, "disse Ford." A zona habitável é uma faixa de distâncias orbitais nas quais os planetas poderiam suportar água líquida em suas superfícies. A busca por evidências de vida em planetas do tamanho da Terra na zona habitável de estrelas semelhantes ao Sol exigirá uma grande nova missão espacial. "

O tamanho dessa missão dependerá da abundância de planetas do tamanho da Terra. A NASA e as Academias Nacionais de Ciência estão atualmente explorando conceitos de missão que diferem substancialmente em tamanho e em suas capacidades. Se planetas do tamanho da Terra são raros, então os planetas semelhantes à Terra mais próximos estão mais distantes e um grande, missão ambiciosa será necessária para procurar evidências de vida em planetas potencialmente semelhantes à Terra. Por outro lado, se planetas do tamanho da Terra são comuns, então haverá exoplanetas do tamanho da Terra orbitando estrelas que estão perto do sol e um observatório relativamente pequeno pode ser capaz de estudar suas atmosferas.

"Enquanto a maioria das estrelas que o Kepler observou estão normalmente a milhares de anos-luz de distância do Sol, O Kepler observou uma amostra grande o suficiente de estrelas para que possamos realizar uma análise estatística rigorosa para estimar a taxa de planetas do tamanho da Terra na zona habitável de estrelas próximas ao Sol ", disse Hsu.

Com base em suas simulações, os pesquisadores estimam que planetas muito próximos da Terra em tamanho, de três quartos a uma vez e meia o tamanho da Terra, com períodos orbitais variando de 237 a 500 dias, ocorrem em torno de aproximadamente uma em cada quatro estrelas. Mais importante, seu modelo quantifica a incerteza nessa estimativa. Eles recomendam que as futuras missões de descoberta de planetas planejem uma taxa real que varia de um planeta para cada 33 estrelas a quase um planeta para cada duas estrelas.

"Saber com que frequência devemos esperar encontrar planetas de um determinado tamanho e período orbital é extremamente útil para otimizar pesquisas de exoplanetas e o projeto de missões espaciais futuras para maximizar sua chance de sucesso, ", disse Ford." A Penn State é líder em agregar métodos estatísticos e computacionais de última geração à análise de observações astronômicas para tratar desse tipo de questão. Nosso Institute for CyberScience (ICS) e Center for Astrostatistics (CASt) fornecem infraestrutura e suporte que tornam esses tipos de projetos possíveis. "

O Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis ​​da Penn State inclui professores e alunos que estão envolvidos em todo o espectro de pesquisas sobre planetas extra-solares. Uma equipe da Penn State construiu o Habitable Zone Planet Finder, um instrumento para procurar planetas de baixa massa em torno de estrelas frias, que recentemente iniciou as operações científicas no telescópio Hobby-Eberly, da qual a Penn State é uma sócia fundadora. Um segundo espectrógrafo construído pela Penn State está sendo testado antes de começar uma pesquisa complementar para descobrir e medir as massas de planetas de baixa massa em torno de estrelas semelhantes ao sol. Este estudo faz previsões sobre o que essas pesquisas de planetas encontrarão e ajudará a fornecer contexto para a interpretação de seus resultados.

Além de Ford e Hsu, a equipe de pesquisa inclui Darin Ragozzine e Keir Ashby da Brigham Young University. A pesquisa foi financiada pela NASA; a U.S. National Science Foundation (NSF); e o Eberly College of Science, o Departamento de Astronomia e Astrofísica, o Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis, e o Center for Astrostatistics da Penn State. Recursos e serviços de computação avançada foram fornecidos pelo Penn State Institute for CyberScience, incluindo o cluster CyberLAMP financiado pela NSF.