Antes de os planetas ao redor de outras estrelas serem descobertos na década de 1990, esses mundos exóticos distantes viviam apenas na imaginação dos escritores de ficção científica.

Mas mesmo suas mentes criativas não poderiam ter concebido a variedade de mundos que os astrônomos descobriram. Muitos desses mundos, chamados exoplanetas, são muito diferentes da família de planetas do nosso sistema solar. Eles variam de "Júpiteres quentes", que abraçam estrelas, a planetas rochosos de grandes dimensões apelidados de "super Terras". Nosso universo aparentemente é mais estranho que a ficção.

Ver esses mundos distantes não é fácil porque eles se perdem no brilho de suas estrelas hospedeiras. Tentar detectá-los é como se esforçar para ver um vaga-lume pairando ao lado do farol brilhante de um farol.

É por isso que os astrônomos identificaram a maioria dos mais de 4, 000 exoplanetas encontrados até agora usando técnicas indiretas, por exemplo, através da ligeira oscilação de uma estrela ou seu escurecimento inesperado quando um planeta passa na frente dela, bloqueando parte da luz das estrelas.

Essas técnicas funcionam melhor, Contudo, para planetas orbitando perto de suas estrelas, onde os astrônomos podem detectar mudanças ao longo de semanas ou mesmo dias, conforme o planeta completa sua órbita da pista de corrida. Mas encontrar apenas planetas superpovoados não fornece aos astrônomos uma imagem abrangente de todos os mundos possíveis em sistemas estelares.

Outra técnica que os pesquisadores usam na caça aos exoplanetas, que são planetas orbitando outras estrelas, é aquele que se concentra em planetas que estão mais distantes do brilho ofuscante de uma estrela. Os cientistas descobriram exoplanetas jovens que são tão quentes que brilham na luz infravermelha usando técnicas de imagem especializadas que bloqueiam o brilho da estrela. Desta maneira, alguns exoplanetas podem ser vistos e estudados diretamente.

O futuro Telescópio Espacial James Webb da NASA ajudará os astrônomos a sondar mais longe nesta ousada nova fronteira. Webb, como alguns telescópios terrestres, está equipado com sistemas ópticos especiais chamados coronógrafos, que usam máscaras projetadas para bloquear o máximo possível da luz das estrelas para estudar exoplanetas tênues e descobrir novos mundos.

Dois alvos no início da missão de Webb são os sistemas planetários 51 Eridani e HR 8799. Das poucas dezenas de planetas com imagens diretas, astrônomos planejam usar Webb para analisar em detalhes os sistemas que estão mais próximos da Terra e têm planetas nas maiores separações de suas estrelas. Isso significa que eles aparecem longe o suficiente do brilho de uma estrela para serem observados diretamente. O sistema HR 8799 reside a 133 anos-luz e 51 Eridani a 96 anos-luz da Terra.

Alvos planetários de Webb

Dois programas de observação no início da missão de Webb combinam as capacidades espectroscópicas do Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) e a imagem da Câmera de Infravermelho Próximo (NIRCam) e do Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) para estudar os quatro planetas gigantes no sistema HR 8799. Em um terceiro programa, pesquisadores usarão o NIRCam para analisar o planeta gigante em 51 Eridani.

Os quatro planetas gigantes do sistema HR 8799 têm, cada um, aproximadamente 10 massas de Júpiter. Eles orbitam a mais de 14 bilhões de milhas de uma estrela que é ligeiramente mais massiva que o sol. O planeta gigante em 51 Eridani tem o dobro da massa de Júpiter e orbita cerca de 11 bilhões de milhas de uma estrela parecida com o sol. Ambos os sistemas planetários têm órbitas voltadas para a Terra. Esta orientação dá aos astrônomos uma oportunidade única de obter uma visão panorâmica dos sistemas, como olhar para os anéis concêntricos em um alvo de arco e flecha.

Muitos exoplanetas encontrados nas órbitas externas de suas estrelas são muito diferentes dos planetas do nosso sistema solar. A maioria dos exoplanetas descobertos nesta região externa, incluindo aqueles em HR 8799, têm entre cinco e 10 massas de Júpiter, tornando-os os planetas mais massivos já encontrados.

Esses exoplanetas externos são relativamente jovens, de dezenas de milhões a centenas de milhões de anos - muito mais jovem do que os 4,5 bilhões de anos do nosso sistema solar. Então eles ainda estão brilhando com o calor de sua formação. As imagens desses exoplanetas são essencialmente fotos de bebês, revelando planetas em sua juventude.

Webb vai sondar o infravermelho médio, uma faixa de comprimento de onda que os astrônomos raramente usaram antes para criar imagens de mundos distantes. Esta "janela" infravermelha é difícil de observar do solo por causa da emissão térmica e absorção na atmosfera da Terra.

"O ponto forte de Webb é a luz desinibida que atravessa o espaço na faixa do infravermelho médio, "disse Klaus Hodapp da Universidade do Havaí em Hilo, investigador principal das observações NIRSpec do sistema HR 8799. "A atmosfera da Terra é muito difícil de ser trabalhada. As principais moléculas de absorção em nossa própria atmosfera nos impedem de ver características interessantes nos planetas."

O infravermelho médio "é a região onde Webb realmente fará contribuições seminais para a compreensão de quais são as moléculas específicas, quais são as propriedades da atmosfera que esperamos encontrar e que realmente não obtemos apenas com o curto, comprimentos de onda do infravermelho próximo, "disse Charles Beichman do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, investigador principal das observações NIRCam e MIRI do sistema HR 8799. "Vamos construir sobre o que os observatórios terrestres fizeram, mas o objetivo é expandir isso de uma forma que seria impossível sem Webb. "

Como os planetas se formam?

Um dos principais objetivos dos pesquisadores em ambos os sistemas é usar Webb para ajudar a determinar como os exoplanetas se formaram. Eles foram criados por meio de um acúmulo de material no disco ao redor da estrela, enriquecido em elementos pesados, como carbono, exatamente como Júpiter provavelmente fez? Ou, eles se formaram a partir do colapso de uma nuvem de hidrogênio, Como uma estrela, e se tornar menor sob a atração implacável da gravidade?

A composição atmosférica pode fornecer pistas sobre o nascimento de um planeta. "Uma das coisas que gostaríamos de entender é a proporção dos elementos que entraram na formação desses planetas, "Beichman disse." Em particular, carbono versus oxigênio diz muito sobre de onde vem o gás que formou o planeta. Veio de um disco que agregou muitos dos elementos mais pesados ​​ou veio do meio interestelar? Portanto, é o que chamamos de relação carbono-oxigênio que é bastante indicativo dos mecanismos de formação. "

Para responder a essas perguntas, os pesquisadores usarão Webb para sondar mais profundamente a atmosfera dos exoplanetas. NIRCam, por exemplo, irá medir as impressões digitais atmosféricas de elementos como o metano. Ele também analisará as características das nuvens e as temperaturas desses planetas. "Já temos muitas informações nesses comprimentos de onda do infravermelho próximo de instalações baseadas em solo, "disse Marshall Perrin do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland, investigador principal das observações do NIRCam de 51 Eridani b. “Mas os dados do Webb serão muito mais precisos, muito mais sensível. Teremos um conjunto mais completo de comprimentos de onda, incluindo o preenchimento de lacunas onde você não pode obter esses comprimentos de onda do solo. "

Os astrônomos também usarão Webb e sua excelente sensibilidade para caçar planetas menos massivos longe de sua estrela. "A partir de observações baseadas no solo, sabemos que esses planetas massivos são relativamente raros, "Perrin disse." Mas também sabemos que, para as partes internas dos sistemas, planetas de massa inferior são dramaticamente mais comuns do que planetas de massa maior. Então a questão é, isso também é verdade para essas separações adicionais? "Beichman acrescentou, “A atuação de Webb no ambiente frio do espaço permite uma busca por mais fracos, planetas menores, impossível de detectar a partir do solo. "

Outro objetivo é entender como a miríade de sistemas planetários descobertos até agora foi criada.

"Acho que o que estamos descobrindo é que há uma enorme diversidade de sistemas solares, "Perrin disse." Você tem sistemas onde você tem esses planetas quentes de Júpiter em órbitas muito próximas. Você tem sistemas onde não tem. Você tem sistemas em que tem um planeta com 10 massas de Júpiter e outros em que não tem nada mais massivo do que várias Terras. Em última análise, queremos entender como a diversidade da formação do sistema planetário depende do ambiente da estrela, a massa da estrela, todos os tipos de outras coisas e, eventualmente, por meio desses estudos em nível populacional, esperamos colocar nosso próprio sistema solar no contexto. "

As observações espectroscópicas NIRSpec de HR 8799 e as observações NIRCam de 51 Eridani são parte dos programas de Observações de Tempo Garantido que serão conduzidos logo após o lançamento de Webb no final deste ano. As observações NIRCam e MIRI do HR 8799 são uma colaboração de duas equipes de instrumentos e também fazem parte do programa de Observações de Tempo Garantido.