Astronomia e Física 21 de dezembro de 2022, 12:31 21/12/2022

TRAPPIST-1: Uma estrela escura com um futuro brilhante

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Jovens revisores

Resumo

Entre as milhares de estrelas que, segundo se sabe, hospedam exoplanetas (os planetas que ficam fora de nosso sistema solar), destaca-se uma particularmente fascinante. É conhecida como TRAPPIST-1: é pequenina, mais ou menos com as proporções de Júpiter, mas é o lar de não apenas um ou dois, mas sim de sete planetas do tamanho da Terra! Esses planetas são provavelmente rochosos, como o nosso, e alguns deles talvez tenham em sua superfície a temperatura adequada para a existência de água. Isso, porém, depende do fato de possuírem ou não atmosfera, e da composição desta atmosfera. Atualmente, os astrônomos estão procurando saber se a TRAPPIST-1 tem pontos luminosos ou escuros, o que pode afetar o modo como vemos seus planetas.

A descoberta de planetas distantes

Muitas estrelas possuem planetas que as orbitam. São chamadas de estrelas hospedeiras. Os exoplanetas orbitam estrelas fora de nosso sistema solar. Se observarmos um exoplaneta do ângulo correto, ele parecerá eclipsar sua estrela hospedeira à medida que se move ao redor dela. Se medirmos a luminosidade da estrela com o máximo de precisão quando o planeta estiver passando em sua frente, observaremos um evento de trânsito, descrito em detalhe no artigo da Frontiers for Young Minds. Durante o trânsito, o planeta bloqueia parte da luz da estrela e os astrônomos, da Terra, constatam uma diminuição na quantidade total dessa luz, que costuma durar algumas horas (Figura 1).

Figura 1. Interpretação artística do possível aspecto do sistema TRAPPIST-1. Sete planetas estão em órbita dessa estrela. Os círculos escuros na estrela são a sombra dos planetas passando diante dela. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

A TRAPPIST-1 é uma estrela bem pequena e vermelha, localizada a quarenta anos-luz da Terra, na constelação de Aquário. Na verdade, a TRAPPIST-1 é tão pequena quanto uma estrela pode ser: se fosse um pouco menor, sequer a consideraríamos uma estrela, pois não teria tamanho suficiente para produzir luz própria pela fusão, em seu centro, de hidrogênio em hélio. Seu tamanho é aproximadamente o mesmo do planeta Júpiter, embora pese oitenta vezes mais que ele. Seu brilho equivale a apenas 0,05% da luminosidade do Sol [1]. Muitas estrelas em nossa galáxia são tão pequenas quanto a TRAPPIST-1 e, devido a seu tamanho e pouca luz, não é fácil estudá-las.

Sete pequenos planetas

Esse desafio não impediu que uma equipe de astrônomos estabelecidos na Bélgica tentasse encontrar planetas à volta da TRAPPIST-1 – acabando por descobrir um verdadeiro zoológico de planetas! Há sete exoplanetas conhecidos em sua órbita e todos passam diante dela quando vistos da Terra, provocando eventos de trânsito. Podemos calcular o tamanho de cada um medindo a quantidade de luz perdida quando ele passa diante da estrela. Planetas pequenos bloqueiam pouca luz; planetas grandes, bem mais. As medidas de luminosidade da TRAPPIST-1 revelaram que seus planetas são parecidos com o nosso: o menor tem três quartos do tamanho da Terra e o maior tem 13% a mais (ver Figura 2) [1].

Figura 2.  Interpretação artística dos planetas da TRAPPIST-1, chamados b–h, e de sua estrela hospedeira, com os tamanhos em escala (mas não as distâncias). Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

A órbita dos planetas da TRAPPIST-1 em torno de sua estrela hospedeira é bem mais próxima do que a dos nossos planetas em torno do Sol. O planeta que está mais próximo, chamado TRAPPIST-1 b, completa sua órbita uma vez a cada 1,5 dia. Compare essa órbita com a da Terra, que leva um ano para dar a volta ao Sol. O planeta mais distante, TRAPPIST-1 h, completa uma órbita a cada 18 dias. Se todos os planetas da TRAPPIST-1 fossem colocados em nosso sistema solar, suas órbitas ficariam todas dentro da de Mercúrio, o planeta mais próximo do Sol.

Será que existe água líquida (e talvez vida) em algum desses planetas?

Você deve estar se perguntando se esses planetas não estão perto demais da estrela para que possam ser visitados por seres humanos sem que estes derretam. Acontece que, uma vez que a estrela TRAPPIST-1 tem muito pouca luminosidade, os planetas precisam estar bem perto dela para se manter aquecidos. As estrelas são como fogueiras: quanto mais perto os planetas estiverem das estrelas, mais quentes deverão ser. Contudo, a distância de uma estrela não é o único fator que determina a temperatura de um planeta.

A atmosfera do planeta também deve ser considerada, porque algumas atmosferas mantêm seus planetas superaquecidos e até mesmo fazem com que sejam “torrados”. Mercúrio e Vênus são bons exemplos do efeito da atmosfera sobre a temperatura. Mercúrio está duas vezes mais perto do Sol que Vênus, então o natural é pensar que ele seja o planeta mais quente do sistema solar. No entanto, a temperatura superficial mais elevada de Mercúrio é de 430ºC, ao passo que a de Vênus é mais elevada ainda, chegando a 460ºC. O motivo de Vênus ser mais quente que Mercúrio é sua atmosfera, constituída principalmente de dióxido de carbono, que não deixa escapar o calor (fenômeno chamado de efeito estufa). Como Mercúrio não tem atmosfera, não tem também efeito estufa, de modo que a temperatura não sobe tanto quanto a de Vênus.

A temperatura superficial dos planetas da TRAPPIST-1 dependerá de terem ou não atmosfera, e da composição dela. Até agora não sabemos se algum deles possui atmosfera. E há uma grande diversidade tipos de atmosfera que poderiam existir em cada um dos planetas, com capacidade de exercerem forte impacto em sua temperatura.

Assim, ainda não foi possível determinar a temperatura superficial de cada planeta da TRAPPIST-1. Também não sabemos se existe água líquida em sua superfície. Mas queremos descobrir!

E uma das maneiras de descobrir é pela observação da passagem de cada planeta diante da estrela – planetas com atmosfera bloqueiam mais a luz de certas cores do que planetas que não têm atmosfera, e as cores bloqueadas dependem dos elementos químicos presentes na atmosfera do planeta. Ao medirmos acuradamente a cor da estrela quando o planeta passa à sua frente, talvez possamos determinar se esse planeta possui atmosfera e qual a composição dela. 

As manchas misteriosas na superfície da TRAPPIST-1

Há, porém, um desafio maior que dificulta o estudo da atmosfera dos planetas da TRAPPIST-1: não sabemos como é a superfície dessa estrela. Uma estrela pode ter manchas grandes ou pequenas em sua superfície, chamadas manchas estelares, que afetam as medidas de sua cor e luminosidade [2]. Como precisamos dessas medidas para determinar a atmosfera dos planetas, e, consequentemente, se eles têm ou não água líquida, é necessário estabelecer com exatidão até que ponto as manchas da TRAPPIST-1 distorcem sua cor e luminosidade.

Um estudo das manchas estelares da TRAPPIST-1, feito pelos telescópios espaciais Kepler e Spitzer, da NASA, sugere que a estrela talvez não tenha manchas como o Sol, mas sim pontos brilhantes e quentes em sua superfície [3]. Esses pontos brilhantes fazem com que a TRAPPIST-1 fique um pouco mais azulada e luminosa quando estão voltados para nós e um pouco mais avermelhada e escura quando desaparecem devido à rotação da estrela. Determinar o número, a temperatura e a intensidade luminosa desses pontos será importante para compreender as marcas que os planetas deixam na luz da TRAPPIST-1.

Recentemente, duas outras equipes de cientistas que estudam a cor da TRAPPIST-1 também concluíram que pode mesmo haver pontos brilhantes (quentes) em sua superfície [4, 5]. À medida que se acumulam evidências para esses pontos estranhos, aumenta também o mistério que os cerca, pois o Sol – a única estrela que podemos estudar de perto – não tem esses pontos em sua superfície.

Um novo olho no espaço

Talvez os astrônomos obtenham respostas às suas perguntas sobre os pontos brilhantes da TRAPPIST-1 com o novo telescópio espacial recentemente lançado, o James Webb Space Telescope (JWST). O JWST é o maior telescópio espacial jamais construído e já iniciou suas observações da estrela TRAPPIST-1. Em combinação com observações feitas por telescópios na Terra, os astrônomos utilizarão os dados do JWST para tentar descobrir a aparência da superfície da TRAPPIST-1 – e, depois, se seus planetas têm ou não atmosfera, podendo abrigar vida tal qual a conhecemos. 

Glossário

Estrela hospedeira: Estrela orbitada por exoplanetas.

Exoplaneta: Planeta que orbita uma estrela (exceto o Sol).

Trânsito: Ocorre quando um exoplaneta bloqueia a luz de sua estrela hospedeira.

Ano-luz: Distância que a luz percorre em 1 ano.

Fusão: Reação nuclear que ocorre no centro das estrelas e as faz brilhar.

Luminosidade: Quantidade total de luz de um objeto astronômico.

Atmosfera: Camada gasosa que envolve um planeta (como o ar da Terra).

Efeito estufa: Ocorre quando a atmosfera de um planeta é constituída por um gás que captura o calor, aumentando sua temperatura superficial.

Referências

[1] Gillon, M., Triaud, A. H. M. J., Demory, B. -O., Jehin, E., Agol, E., Deck, K. M. et al. 2017. “Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1.” Nature. 542:456–60. DOI: 10.1038/nature21360.

[2] Rackham, B. V., Apai, D. e Giampapa, M. S. 2018. “The transit light source effect: false spectral features and incorrect densities for M-dwarf transiting planets.” Astrophys. J. 853:122. DOI: 10.3847/1538-4357/aaa08c.

[3] Morris, B. M., Agol, E., Davenport, J. R. A. e Hawley, S. L. 2018. “Possible bright starspots on TRAPPIST-1.” Astrophys. J. 857:39. DOI: 10.3847/1538-4357/aab6a5.

[4] Ducrot, E., Sestovic, M., Morris, B. M., Gillon, M., Triaud, A. H. M. J., De Wit, J. et al. 2018. “The 0.8–4.5 μm broadband transmission spectra of TRAPPIST-1 planets.” Astron. J. 156:218. DOI: 10.3847/1538-3881/aade94.

[5] Wakeford, H. R., Lewis, N. K., Fowler, J., Bruno, G., Wilson, T. J., Moran, S. E. et al. 2019. “Disentangling the planet from the star in late-type M dwarfs: a case study of TRAPPIST-1g.” Astron. J. 157:11. DOI: 10.3847/1538-3881/aaf04d.

Citação

Morris, B. (2019). “TRAPPIST-1: a dark star with a bright future.” Front. Young Minds. 7:56. DOI: 10.3389/frym.2019.00056.

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