Em um prédio de tijolos genérico na extremidade noroeste do campus Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, milhares de computadores embalados em prateleiras do tamanho de máquinas de venda automática zumbem em um coro ensurdecedor de processamento de dados. Dia e noite, eles emitem 7 quatrilhões de cálculos por segundo. Essas máquinas são conhecidas coletivamente como supercomputador Discover da NASA e têm a tarefa de executar modelos climáticos sofisticados para prever o clima futuro da Terra.

Mas agora, eles também descobriram algo muito mais distante:se qualquer um dos mais de 4, 000 planetas curiosamente estranhos além do nosso sistema solar descobertos nas últimas duas décadas poderiam sustentar vida.

Os cientistas estão descobrindo que a resposta não é apenas sim, mas que é sim sob uma série de condições surpreendentes em comparação com a Terra. Essa revelação fez com que muitos deles se debatessem com uma questão vital para a busca da NASA por vida fora da Terra. É possível que nossas noções sobre o que torna um planeta adequado para a vida sejam muito limitantes?

A próxima geração de poderosos telescópios e observatórios espaciais certamente nos dará mais pistas. Esses instrumentos permitirão aos cientistas, pela primeira vez, analisar as atmosferas dos planetas mais tentadores:os rochosos, como a Terra, que poderia ter um ingrediente essencial para a vida - água líquida - fluindo em suas superfícies.

Por enquanto, é difícil sondar atmosferas distantes. Enviando uma nave espacial para o planeta mais próximo fora do nosso sistema solar, ou exoplaneta, levaria 75, 000 anos com a tecnologia de hoje. Mesmo com telescópios poderosos, os exoplanetas próximos são virtualmente impossíveis de estudar em detalhes. O problema é que eles são pequenos demais e abafados pela luz de suas estrelas para que os cientistas consigam distinguir as assinaturas de luz fraca que refletem - assinaturas que poderiam revelar a química da vida na superfície.

Em outras palavras, detectar os ingredientes das atmosferas em torno desses planetas fantasmas, como muitos cientistas gostam de apontar, é como estar em Washington, D.C., e tentando avistar um vaga-lume próximo a um holofote em Los Angeles. Esta realidade torna os modelos climáticos essenciais para a exploração, disse o cientista exoplanetário chefe Karl Stapelfeldt, que trabalha no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia.

“Os modelos tornam específicos, previsões testáveis ​​do que devemos ver, "disse ele." Estes são muito importantes para projetar nossos futuros telescópios e estratégias de observação. "

O sistema solar é um bom modelo?

Ao escanear o cosmos com grandes telescópios terrestres e espaciais, astrônomos descobriram uma variedade eclética de mundos que parecem tirados da imaginação.

"Por muito tempo, os cientistas estavam realmente focados em encontrar sistemas semelhantes ao Sol e à Terra. Isso é tudo que sabíamos, "disse Elisa Quintana, um astrofísico Goddard da NASA que liderou a descoberta de 2014 do planeta Kepler-186f do tamanho da Terra. "Mas descobrimos que existe toda uma diversidade maluca de planetas. Encontramos planetas tão pequenos quanto a lua. Encontramos planetas gigantes. E encontramos alguns que orbitam estrelas minúsculas, estrelas gigantes e estrelas múltiplas. "

De fato, a maioria dos planetas detectados pelo telescópio espacial Kepler da NASA e o novo Transiting Exoplanet Survey Satellite, bem como observações baseadas no solo, não existem em nosso sistema solar. Eles estão entre o tamanho de uma Terra terrestre e um Urano gasoso, que é quatro vezes maior do que este planeta.

Planetas com o tamanho mais próximo da Terra, e provavelmente em teoria ter condições habitáveis, até agora foram encontrados apenas em torno de estrelas "anãs vermelhas", que constituem a grande maioria das estrelas da galáxia. Mas isso é provável porque as anãs vermelhas são menores e mais escuras que o sol, portanto, o sinal dos planetas que os orbitam é mais fácil de ser detectado pelos telescópios.

Porque as anãs vermelhas são pequenas, os planetas precisam se aproximar desconfortavelmente - mais perto do que Mercúrio está do sol - para permanecer gravitacionalmente ligados a eles. E porque as anãs vermelhas são legais, em comparação com todas as outras estrelas, os planetas precisam estar mais próximos deles para atrair calor suficiente para permitir que a água líquida se acumule em suas superfícies.

Entre as descobertas recentes mais atraentes em sistemas de anãs vermelhas estão planetas como Proxima Centauri b, ou simplesmente Proxima b. É o exoplaneta mais próximo. Existem também sete planetas rochosos no sistema TRAPPIST-1 próximo. Se esses planetas poderiam ou não sustentar a vida ainda é uma questão de debate. Os cientistas apontam que as anãs vermelhas podem vomitar até 500 vezes mais radiação ultravioleta e de raios X nociva em seus planetas do que o sol ejeta no sistema solar. Diante disso, este ambiente retiraria as atmosferas, evapore oceanos e frite o DNA em qualquer planeta próximo a uma anã vermelha.

Ainda, talvez não. Modelos de clima terrestre estão mostrando que exoplanetas rochosos ao redor das anãs vermelhas podem ser habitáveis, apesar da radiação.

A magia está nas nuvens

Anthony Del Genio é um cientista do clima planetário recém-aposentado do Instituto Goddard de Estudos Espaciais da NASA, na cidade de Nova York. Durante sua carreira, ele simulou os climas da Terra e de outros planetas, incluindo Proxima b.

A equipe de Del Genio simulou recentemente possíveis climas em Proxima b para testar quantos o deixariam quente e úmido o suficiente para abrigar vida. Este tipo de trabalho de modelagem ajuda os cientistas da NASA a identificar um punhado de planetas promissores dignos de um estudo mais rigoroso com o futuro telescópio espacial James Webb da NASA.

"Embora nosso trabalho não possa dizer aos observadores se algum planeta é habitável ou não, podemos dizer a eles se um planeta está bem no meio de bons candidatos para pesquisar mais, "Del Genio disse.

Proxima b orbita Proxima Centauri em um sistema de três estrelas localizado a apenas 4,2 anos-luz do sol. Além disso, os cientistas não sabem muito sobre isso. Eles acreditam que é rochoso, com base em sua massa estimada, que é ligeiramente maior que o da Terra. Os cientistas podem inferir a massa observando o quanto o inseto Proxima puxa sua estrela enquanto ela orbita.

O problema com Proxima b é que está 20 vezes mais perto de sua estrela do que a Terra está do sol. Portanto, o planeta leva apenas 11,2 dias para fazer uma órbita (a Terra leva 365 dias para orbitar o sol uma vez). A física diz aos cientistas que este arranjo aconchegante pode deixar Proxima b gravitacionalmente preso à sua estrela, como se a lua estivesse gravitacionalmente presa à Terra. Se for verdade, um lado de Proxima b enfrenta a intensa radiação da estrela enquanto o outro congela na escuridão do espaço em uma receita planetária que não augura nada de bom para a vida em nenhum dos lados.

Mas as simulações de Del Genio mostram que Proxima b, ou qualquer planeta com características semelhantes, poderia ser habitável, apesar das forças conspirando contra ele. “E as nuvens e os oceanos desempenham um papel fundamental nisso, "Del Genio disse.

A equipe de Del Genio atualizou um modelo climático da Terra desenvolvido pela primeira vez na década de 1970 para criar um simulador planetário chamado ROCKE-3-D. Se Proxima b tem uma atmosfera é uma questão aberta e crítica que esperamos ser resolvida por telescópios futuros. Mas a equipe de Del Genio presumiu que sim.

A cada simulação, a equipe de Del Genio variava os tipos e quantidades de gases de efeito estufa no ar do Proxima b. Eles também mudaram a profundidade, Tamanho, e a salinidade de seus oceanos e ajustou a proporção da terra para a água para ver como esses ajustes influenciam o clima do planeta.

Modelos como o ROCKE-3-D começam apenas com grãos de informações básicas sobre um exoplaneta:seu tamanho, massa, e distância de sua estrela. Os cientistas podem inferir essas coisas observando a luz de uma estrela mergulhar enquanto um planeta passa pela frente dela, ou medindo o puxão gravitacional em uma estrela enquanto um planeta a circunda.

Esses parcos detalhes físicos informam equações que compreendem até um milhão de linhas de código de computador necessárias para construir os modelos climáticos mais sofisticados. O código instrui um computador como o supercomputador Discover da NASA a usar regras estabelecidas da natureza para simular sistemas climáticos globais. Entre muitos outros fatores, os modelos climáticos consideram como as nuvens e os oceanos circulam e interagem e como a radiação do sol interage com a atmosfera e a superfície de um planeta.

Quando a equipe de Del Genio executou o ROCKE-3-D no Discover, eles viram que as nuvens hipotéticas do Proxima b agiam como um enorme guarda-sol, desviando a radiação. Isso poderia diminuir a temperatura no lado voltado para o sol de Proxima b de muito quente para quente.

Outros cientistas descobriram que Proxima b pode formar nuvens tão massivas que encobririam todo o céu se alguém olhasse para cima da superfície.

"Se um planeta está bloqueado gravitacionalmente e girando lentamente em seu eixo, um círculo de nuvens se forma na frente da estrela, sempre apontando para ele. Isso se deve a uma força conhecida como efeito Coriolis, que causa convecção no local onde a estrela está aquecendo a atmosfera, "disse Ravi Kopparapu, um cientista planetário Goddard da NASA que também modela os climas potenciais de exoplanetas. "Nossa modelagem mostra que Proxima b poderia ser assim."

Além de tornar o lado diurno de Proxima b mais temperado do que o esperado, uma combinação de atmosfera e circulação oceânica moveria o ar quente e a água ao redor do planeta, transportando assim o calor para o lado frio. "Assim, você não só evita que a atmosfera do lado noturno congele, você cria peças no lado noturno que realmente mantêm a água líquida na superfície, mesmo que essas partes não vejam luz, "Del Genio disse.

Dando uma nova olhada em um modelo antigo

As atmosferas são envelopes de moléculas em torno dos planetas. Além de ajudar a manter e circular o calor, as atmosferas distribuem gases que nutrem a vida ou são produzidos por ela.

Esses gases são as chamadas "bioassinaturas" que os cientistas procurarão na atmosfera de exoplanetas. Mas o que exatamente eles deveriam procurar ainda está indeciso.

A da Terra é a única evidência que os cientistas têm da química de uma atmosfera que sustenta a vida. Ainda, eles precisam ser cautelosos ao usar a química da Terra como modelo para o resto da galáxia. Simulações da cientista planetária Goddard Giada Arney, por exemplo, mostram que mesmo algo tão simples como o oxigênio - o sinal quintessencial da vida vegetal e da fotossíntese na Terra moderna - pode representar uma armadilha.

O trabalho de Arney destaca algo interessante. Se civilizações alienígenas tivessem apontado seus telescópios para a Terra bilhões de anos atrás, na esperança de encontrar um planeta azul nadando em oxigênio, eles teriam ficado desapontados; talvez eles tivessem direcionado seus telescópios para outro mundo. Mas em vez de oxigênio, metano poderia ter sido a melhor bioassinatura observada entre 3,8 e 2,5 bilhões de anos atrás. Esta molécula foi produzida em abundância naquela época, provavelmente pelos microrganismos que florescem silenciosamente nos oceanos.

"O que é interessante sobre esta fase da história da Terra é que ela era tão estranha em comparação com a Terra moderna, "Arney disse." Não havia oxigênio ainda, então não era nem mesmo um ponto azul claro. Era um ponto laranja claro, " ela disse, referenciando a névoa laranja produzida pela poluição do metano que pode ter coberto a Terra primitiva.

Achados como este, Arney disse, "ampliaram nosso pensamento sobre o que é possível entre os exoplanetas, "ajudando a expandir a lista de bioassinaturas que os cientistas planetários irão procurar em atmosferas distantes.

Construindo um projeto para caçadores de atmosfera

Embora as lições dos modelos climáticos planetários sejam teóricas - o que significa que os cientistas não tiveram a oportunidade de testá-los no mundo real - eles oferecem um plano para observações futuras.

Um dos principais objetivos da simulação de climas é identificar os planetas mais promissores aos quais recorrer com o telescópio Webb e outras missões para que os cientistas possam usar o tempo limitado e caro do telescópio com mais eficiência. Adicionalmente, essas simulações estão ajudando os cientistas a criar um catálogo de assinaturas químicas potenciais que um dia irão detectar. Ter esse banco de dados para obter ajuda os ajudará a determinar rapidamente o tipo de planeta para o qual estão olhando e decidir se continuarão sondando ou direcionarão seus telescópios para outro lugar.

Descobrir a vida em planetas distantes é uma aposta, Del Genio observou:"Portanto, se quisermos observar com mais sabedoria, temos que aceitar recomendações de modelos climáticos, porque isso está apenas aumentando as chances. "