Este mês marca o terceiro aniversário da descoberta de um notável sistema de sete planetas conhecido como TRAPPIST-1. Estes sete rochosos, Mundos do tamanho da Terra orbitam uma estrela ultrafria a 39 anos-luz da Terra. Três desses planetas estão na zona habitável, o que significa que eles estão na distância orbital certa para serem quentes o suficiente para a existência de água líquida em suas superfícies. Após seu lançamento em 2021, O telescópio espacial James Webb da NASA observará esses mundos com o objetivo de fazer o primeiro estudo detalhado próximo ao infravermelho da atmosfera de um planeta de zona habitável.

Para encontrar sinais de uma atmosfera, astrônomos usarão uma técnica chamada espectroscopia de transmissão. Eles observam a estrela hospedeira enquanto o planeta está cruzando a face da estrela, conhecido como trânsito. A luz da estrela é filtrada pela atmosfera do planeta, que absorve parte da luz das estrelas e deixa impressões digitais reveladoras no espectro da estrela.

Encontrar uma atmosfera em torno de um exoplaneta rochoso - a palavra que os cientistas usam para designar planetas além do nosso sistema solar - não será fácil. Suas atmosferas são mais compactas do que as dos gigantes gasosos, enquanto seu tamanho menor significa que eles interceptam menos luz da estrela. TRAPPIST-1 é um dos melhores alvos disponíveis para Webb, pois a própria estrela também é muito pequena, o que significa que o tamanho dos planetas em relação à estrela é maior.

"As atmosferas são mais difíceis de detectar, mas a recompensa é maior. Seria muito emocionante fazer a primeira detecção de uma atmosfera em um planeta do tamanho da Terra, "disse David Lafrenière da Universidade de Montreal, investigador principal em uma das equipes que examinam o TRAPPIST-1.

Estrelas anãs vermelhas como TRAPPIST-1 tendem a ter explosões violentas que podem tornar os planetas TRAPPIST-1 inóspitos. Mas determinar se eles têm atmosferas, e se, do que eles são feitos, é o próximo passo para descobrir se a vida como a conhecemos poderia sobreviver nesses mundos distantes.

Um esforço coordenado

Mais de uma equipe de astrônomos estudará o sistema TRAPPIST-1 com Webb. Eles planejam usar uma variedade de instrumentos e modos de observação para descobrir o máximo de detalhes possível para cada planeta do sistema.

"É um esforço coordenado porque nenhuma equipe poderia fazer tudo o que queríamos com o sistema TRAPPIST-1. O nível de cooperação tem sido realmente espetacular, "explicou Nikole Lewis, da Cornell University, o investigador principal em uma das equipes.

"Com sete planetas para escolher, cada um de nós pode comer um pedaço do bolo, "acrescentou Lafrenière.

O programa de Lafrenière terá como alvo TRAPPIST-1d e -1f em um esforço para não apenas detectar uma atmosfera, mas determine sua composição básica. Eles esperam ser capazes de distinguir entre uma atmosfera dominada por vapor de água, ou um composto principalmente de nitrogênio (como a Terra) ou dióxido de carbono (como Marte e Vênus).

O programa de Lewis observará TRAPPIST-1e com objetivos semelhantes. TRAPPIST-1e é um dos planetas além do nosso sistema solar que tem mais em comum com a Terra em termos de densidade e quantidade de radiação que recebe de sua estrela. Isso o torna um ótimo candidato para habitabilidade - mas os cientistas precisam saber mais para descobrir.

Uma ampla variedade de planetas

Embora os planetas TRAPPIST-1 tenham um apelo particular do ponto de vista da habitabilidade potencial, O programa de Lafrenière terá como alvo uma variedade de planetas - desde rochosos a mini-Neptunes e gigantes gasosos do tamanho de Júpiter - a uma variedade de distâncias de suas estrelas. O objetivo é aprender mais sobre como, e onde, esses planetas se formam.

Em particular, os astrônomos continuam a debater como os planetas gasosos podem ser encontrados muito perto de suas estrelas. A maioria acredita que tal planeta deve ter se formado mais longe no disco protoplanetário - o disco em torno de uma estrela onde os planetas nascem - uma vez que mais material está disponível longe da estrela, e então migrou para dentro. Contudo, outros cientistas teorizam que mesmo grandes gigantes gasosos podem se formar relativamente perto de sua estrela.

"Também, talvez eles tenham se formado mais longe, mas quanto mais longe? ”perguntou Lewis.

Para ajudar a informar o debate, os astrônomos examinarão a proporção de carbono para oxigênio em uma variedade de exoplanetas. Esta proporção pode servir como um traçador de onde um planeta se formou, porque varia com a distância da estrela.

Mapas meteorológicos

Além de examinar planetas usando espectroscopia de transmissão, as equipes também empregarão uma técnica conhecida como curva de fase. Isso envolve observar um planeta ao longo de uma órbita inteira, o que só é prático para os mundos mais quentes com os períodos orbitais mais curtos.

Um planeta girando em torno de sua estrela muito perto torna-se bloqueado por maré, o que significa que sempre mostra a mesma face da estrela, como a Lua faz com a Terra. Como resultado, observadores distantes observando o planeta verão que ele passa por várias fases, uma vez que diferentes lados do planeta são visíveis em diferentes pontos de sua órbita.

Medindo o planeta em vários momentos, os astrônomos podem construir um mapa da temperatura atmosférica em função da longitude. Esta técnica foi desenvolvida pelo Telescópio Espacial Spitzer da NASA, que fez o primeiro "mapa do tempo" de um exoplaneta em 2007.

Além disso, observando a própria emissão de calor do planeta, astrônomos podem modelar a estrutura vertical da atmosfera.

"Com uma curva de fase, podemos construir um modelo 3D completo da atmosfera de um planeta, "explicou Lafrenière.

Este trabalho está sendo conduzido como parte do programa Webb Guaranteed Time Observations (GTO). Este programa é projetado para recompensar cientistas que ajudaram a desenvolver os principais componentes de hardware e software ou conhecimento técnico e interdisciplinar para o observatório.