O Telescópio Espacial James Webb da NASA está revelando o universo com uma clareza espetacular e sem precedentes. A visão infravermelha ultra-nítida do observatório cortou a poeira cósmica para iluminar algumas das primeiras estruturas do universo, juntamente com berçários estelares anteriormente obscurecidos e galáxias giratórias a centenas de milhões de anos-luz de distância.
Além de ver o universo mais longe do que nunca, o Webb capturará a visão mais abrangente de objetos em nossa própria galáxia – ou seja, alguns dos 5.000 planetas que foram descobertos na Via Láctea. Os astrônomos estão aproveitando a precisão de análise de luz do telescópio para decodificar as atmosferas que cercam alguns desses mundos próximos. As propriedades de suas atmosferas podem dar pistas de como um planeta se formou e se abriga sinais de vida.

Mas um novo estudo do MIT sugere que as ferramentas que os astrônomos normalmente usam para decodificar sinais baseados em luz podem não ser boas o suficiente para interpretar com precisão os dados do novo telescópio. Especificamente, os modelos de opacidade – as ferramentas que modelam como a luz interage com a matéria em função das propriedades da matéria – podem precisar de ajustes significativos para corresponder à precisão dos dados de Webb, dizem os pesquisadores.

Se esses modelos não são refinados? Os pesquisadores preveem que as propriedades das atmosferas planetárias, como sua temperatura, pressão e composição elementar, podem estar erradas em uma ordem de magnitude.

“Existe uma diferença cientificamente significativa entre um composto como a água estar presente em 5% versus 25%, que os modelos atuais não podem diferenciar”, diz o co-líder do estudo Julien de Wit, professor assistente do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT. (EAPS).

“Atualmente, o modelo que usamos para descriptografar informações espectrais não está à altura da precisão e qualidade dos dados que temos do telescópio James Webb”, acrescenta o estudante de pós-graduação da EAPS Prajwal Niraula. "Precisamos melhorar nosso jogo e enfrentar juntos o problema da opacidade."

De Wit, Niraula e seus colegas publicaram seu estudo na Nature Astronomy . Os coautores incluem especialistas em espectroscopia Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva e Roman Kochanov do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Subindo de nível

A opacidade é uma medida da facilidade com que os fótons passam através de um material. Os fótons de certos comprimentos de onda podem passar diretamente através de um material, ser absorvidos ou refletidos de volta, dependendo de se e como eles interagem com certas moléculas dentro de um material. Essa interação também depende da temperatura e pressão de um material.

Um modelo de opacidade funciona com base em várias suposições de como a luz interage com a matéria. Os astrônomos usam modelos de opacidade para derivar certas propriedades de um material, dado o espectro de luz que o material emite. No contexto de exoplanetas, um modelo de opacidade pode decodificar o tipo e a abundância de produtos químicos na atmosfera de um planeta, com base na luz do planeta que um telescópio captura.

De Wit diz que o atual modelo de opacidade de última geração, que ele compara a uma ferramenta de tradução de linguagem clássica, fez um trabalho decente de decodificação de dados espectrais obtidos por instrumentos como os do Telescópio Espacial Hubble.

"Até agora, esta Rosetta Stone está indo bem", diz de Wit. "Mas agora que estamos indo para o próximo nível com a precisão de Webb, nosso processo de tradução nos impedirá de captar sutilezas importantes, como aquelas que fazem a diferença entre um planeta ser habitável ou não."

Leve, perturbado

Ele e seus colegas enfatizam isso em seu estudo, no qual testaram o modelo de opacidade mais comumente usado. A equipe procurou ver quais propriedades atmosféricas o modelo derivaria se fosse ajustado para assumir certas limitações em nossa compreensão de como a luz e a matéria interagem. Os pesquisadores criaram oito desses modelos "perturbados". Eles então alimentaram cada modelo, incluindo a versão real, "espectros sintéticos" - padrões de luz que foram simulados pelo grupo e semelhantes à precisão que o telescópio James Webb veria.

Eles descobriram que, com base nos mesmos espectros de luz, cada modelo perturbado produzia previsões abrangentes para as propriedades da atmosfera de um planeta. Com base em sua análise, a equipe conclui que, se os modelos de opacidade existentes forem aplicados aos espectros de luz obtidos pelo telescópio Webb, eles atingirão uma "parede de precisão". Ou seja, eles não serão sensíveis o suficiente para dizer se um planeta tem uma temperatura atmosférica de 300 Kelvin ou 600 Kelvin, ou se um determinado gás ocupa 5% ou 25% de uma camada atmosférica.

"Essa diferença é importante para que possamos restringir os mecanismos de formação planetária e identificar bioassinaturas de maneira confiável", diz Niraula.

A equipe também descobriu que cada modelo também produzia um "bom ajuste" com os dados, o que significa que, embora um modelo perturbado produzisse uma composição química que os pesquisadores sabiam estar incorreta, também gerava um espectro de luz dessa composição química que estava próximo suficiente para, ou "encaixar" com o espectro original.

“Descobrimos que existem parâmetros suficientes para ajustar, mesmo com um modelo errado, para ainda obter um bom ajuste, o que significa que você não saberia que seu modelo está errado e o que ele está dizendo está errado”, explica de Wit.

Ele e seus colegas levantam algumas ideias sobre como melhorar os modelos de opacidade existentes, incluindo a necessidade de mais medições laboratoriais e cálculos teóricos para refinar as suposições dos modelos de como a luz e várias moléculas interagem, bem como colaborações entre disciplinas e, em particular, entre astronomia e espectroscopia.

"Há muito que poderia ser feito se soubéssemos perfeitamente como a luz e a matéria interagem", diz Niraula. “Sabemos disso bem o suficiente sobre as condições da Terra, mas assim que nos movemos para diferentes tipos de atmosferas, as coisas mudam, e são muitos dados, com qualidade crescente, que corremos o risco de interpretar erroneamente”. + Explorar mais

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Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.