O método mais recente da NASA para caçar exoplanetas? Alistando amadores

De todos os grandes e ambiciosos objetivos da astronomia no momento, um dos mais emocionantes é a descoberta e caracterização de exoplanetas, ou planetas fora do nosso sistema solar. Sabemos que provavelmente existem tantos exoplanetas quanto estrelas no universo, e que esse número quase certamente inclui alguns planetas que são como a Terra. Na verdade, estamos apenas começando a arranhar a superfície da descoberta desses novos e estranhos os mundos.

Os astrônomos têm ferramentas como o Telescópio Espacial James Webb de ponta para ajudá-los a identificar exoplanetas e perscrutar suas atmosferas, mas há muito tempo de observação disponível nesses grandes e famosos telescópios. Então, para ajudar a encontrar novos exoplanetas, a NASA está recorrendo a um recurso subutilizado: cientistas cidadãos.

Um programa recém-expandido da NASA chamado Exoplanet Watch convida membros do público a ajudar a observar exoplanetas usando os mesmos métodos de análise de dados usados ​​pelos profissionais. Para saber como funciona e o potencial de descoberta usando essa abordagem, conversamos com Rob Zellem, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, astrofísico e criador do programa Exoplanet Watch.

Olhos amadores nos céus

Dado que agora existem mais de 5.000 exoplanetas conhecidos, você pode pensar que esses planetas são fáceis de observar. Mas esse não é o caso. A maioria dos exoplanetas é impossível de observar diretamente, porque são muito menores e mais escuros do que as estrelas em torno das quais orbitam. Assim, os astrônomos amadores, assim como os profissionais, contam com observações indiretas para saber que existe um planeta.

O foco principal do Exoplanet Watch é observar um tipo de planeta chamado Júpiter quente – “grandes planetas em torno de estrelas brilhantes”, como Zellem os descreve – e observar seus trânsitos. Um trânsito acontece quando um dos planetas passa entre nós e sua estrela hospedeira, tornando temporariamente a luz da estrela hospedeira mais fraca. Ao observar o momento exato e a quantidade dessa queda no brilho, os astrônomos podem calcular o tamanho do planeta e a que distância ele orbita de sua estrela.

Este é o mesmo método usado por muitos telescópios profissionais de caça a exoplanetas, como o Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA ou o ExOPlanet Satellite (CHEOPS) caracterizador da Agência Espacial Européia. Ambos são telescópios baseados no espaço, o que significa que eles obtêm uma excelente visão do espaço desobstruída pela atmosfera da Terra, mas observar o tempo neles é extremamente limitado.

Outros telescópios profissionais terrestres também observam exoplanetas, mas enfrentam um grande e imprevisível obstáculo: o clima. Se houver céu nublado sobre um observatório, as observações de uma noite inteira serão perdidas – algo com o qual todo astrônomo profissional já lidou. “Há muitas noites que perdi pessoalmente no sudoeste dos Estados Unidos, ou Mauna Kea no Havaí, devido ao clima”, disse Zellem. “Esse é o risco que você corre ao conseguir tempo em qualquer observatório profissional aleatório.”

Exoplanet Watch, no entanto, é uma rede de astrônomos amadores de todo o mundo. Ao ter observadores fazendo leituras de tantos locais diferentes, os efeitos do clima são mitigados. Mesmo que esteja nublado em um local, os observadores em outros lugares podem ter uma visão clara.

Trabalhando juntos em todo o mundo

A rede também permite a observação de exoplanetas que seriam impossíveis para um único usuário observar. Um exoplaneta gigante gasoso chamado HD 80606 b , por exemplo, leva mais de 12 horas para transitar sua estrela. Os astrônomos precisam não apenas observar a duração total desse trânsito, mas também fazer observações antes e depois do trânsito para usar como linha de base, e simplesmente não há uma noite longa o suficiente para observar o tempo inteiro em qualquer lugar do planeta que não seja os pólos extremos.

Em dezembro de 2021, os membros do Exoplanet Watch trabalharam juntos para observar esse trânsito completo do começo ao fim, começando com usuários no leste da Ásia, que então repassaram as observações para os da Índia, depois da Europa e depois da América do Norte, antes de retornar aos usuários em Japão.

Os dados de todos esses observadores ao longo de 24 horas foram reunidos para obter os dados equivalentes a um telescópio acoplado a um balão flutuando ao redor do mundo e observando à medida que avançava.

Facilitar observações por outros

Zellem e outros membros da equipe Exoplanet Watch estão empenhados em garantir que os astrônomos amadores que trabalham no projeto tenham suas contribuições reconhecidas, e muitos foram apresentados como autores principais em publicações acadêmicas sobre seu trabalho. Mas muito do trabalho feito pelo projeto não é sobre manchetes chamativas como descobrir novos exoplanetas – em vez disso, é sobre pessoas doando seu tempo e esforço para permitir que grandes descobertas científicas sejam feitas de forma mais eficiente.

Pegue o Telescópio Espacial James Webb. Este telescópio fenomenalmente poderoso pode não apenas identificar exoplanetas, mas também observar suas atmosferas, algo que praticamente nenhuma outra ferramenta em astronomia pode fazer. Mas há apenas algumas horas em um dia, e observar o tempo é altamente valorizado.

“Tivemos astrônomos profissionais que vieram até nós e disseram: 'Ei, há este alvo que quero observar nos próximos meses com James Webb, você pode nos ajudar a observar este alvo e refinar o tempo?'” disse Zellam.

Em seguida, os astrônomos amadores do Exoplanet Watch trabalham para encontrar as restrições nos tempos de trânsito do exoplaneta, para que, quando o Webb fizer suas observações, ele tenha a melhor chance possível de ver o trânsito e obter o máximo de informações possível sobre o alvo.

“Onde o Exoplanet Watch entra é fazendo essa pré-avaliação ou pré-observações. Estamos ajudando a refinar os tempos para que possamos usar James Webb com mais eficiência e esperamos obter muito mais ciência disso”, explicou Zellem.

Telescópios no sótão

Muitas das pessoas que contribuíram para o Exoplanet Watch até agora são astrônomos amadores sérios que passaram anos construindo telescópios impressionantes e são muito experientes em observações de exoplanetas. Mas esse nível de comprometimento e equipamento não é necessário, e Zellem e sua equipe dão as boas-vindas a qualquer pessoa interessada em observar para se juntar a eles.

O menor telescópio usado em observações até agora tem apenas 3,5 polegadas, que é um tamanho típico para um pequeno telescópio inicial. Como a maioria das observações é feita de objetos brilhantes, telescópios domésticos muito poderosos não são essenciais.

“Você não precisa de um telescópio muito grande para fazer essas observações”, disse Zellem. “Na verdade, você pode usar muitos telescópios que as pessoas podem ter pendurados em seus sótãos, garagens ou depósitos.”

É útil para os observadores ter uma câmera digital para anexar ao telescópio para registrar suas observações e um mecanismo de rastreamento para ajudar a seguir um alvo enquanto ele se move no céu. Mas a barreira de entrada no projeto é menor do que se imagina.

E para aqueles que estão preocupados em cometer um erro e bagunçar os dados, Zellam diz que uma vantagem de ter vários usuários é que os dados podem ser verificados em relação a outras observações: “Se você tiver um usuário que acidentalmente comete um erro ou usa o valores ao interpretar seus dados, esses dados podem ser eliminados pelo grupo maior de observadores”.

Contribuindo sem um telescópio

Mesmo aqueles que não têm acesso a um telescópio podem se envolver no projeto Exoplanet Watch. Um segundo ramo do projeto, além das observações, é a análise de dados. O projeto tem acesso a dados de arquivo que incluem 10 anos de dados de um telescópio robótico de 6 polegadas, chamado observatório autônomo, localizado em Tucson, Arizona, que foi doado por um grupo chamado DIY Planet Search .

Neste conjunto de dados, existem mais de 2.000 curvas de luz que podem indicar um trânsito exoplanetário, e o público é convidado a ajudar na análise dos dados. Algo especial sobre este projeto, porém, é que ele não é um tipo simplificado de análise ou classificação de dados, como visto em outros projetos de ciência cidadã como os do Zooniverse . Em vez disso, os cientistas cidadãos podem usar exatamente o mesmo programa de processamento de dados usado pelos profissionais da NASA.

Astrônomos profissionais da NASA já haviam passado uma década desenvolvendo e usando uma ferramenta de análise de dados chamada Exotic, que foi otimizada para ser o mais precisa e útil possível para a pesquisa de exoplanetas. “E ficou muito claro que a melhor maneira de garantir que nossos usuários obtivessem bons resultados com seus dados era deixá-los usar a mesma ferramenta de dados exata”, disse Zellem.

A ferramenta foi carregada na nuvem para facilitar o acesso até mesmo no celular, então agora quem tiver tempo e interesse pode aprender a processar dados de exoplanetas usando as mesmas ferramentas dos profissionais. Eles passam por todas as etapas, desde a coleta de dados brutos de um telescópio até a determinação das características de um exoplaneta observado.

Inspirando a próxima geração

Obter ajuda com observações e análise de dados é crucial para astrônomos profissionais, mas o projeto também visa trazer mais pessoas para o campo.

“Como um projeto de ciência cidadã, temos objetivos científicos, mas também objetivos educacionais”, disse Zellem, “para inspirar a próxima geração de alunos STEM, pessoas que podem entrar na astronomia”.

Isso inclui envolver a apaixonada e capaz comunidade de astronomia amadora, mas também envolve trazer novas pessoas que podem ter tido pouca ou nenhuma experiência com esse tipo de ciência antes.

“Estamos envolvendo pessoas que nunca fizeram imagens de exoplanetas, nunca fizeram astrofotografia ou mesmo olharam através de um telescópio”, disse Zellem. Os membros mais experientes do grupo estão ensinando e orientando os membros mais novos no grupo Slack do projeto, apoiando uns aos outros e ajudando-os a aprender. “É realmente um grande grupo de pessoas, e estou muito orgulhoso deles.”

Uma era de ouro da pesquisa de exoplanetas

O projeto Exoplanet Watch está em constante expansão, com novas fontes de dados sendo constantemente adicionadas ao pool para que sempre haja algo novo para as pessoas trabalharem. Mas Zellem quer expandi-lo ainda mais, ultrapassando os limites do que pode ser observado com telescópios menores.

Um plano é ver se telescópios pequenos suficientes trabalhando em conjunto podem observar planetas menores, como os chamados super-Terras. Outro objetivo de longo prazo é fazer mais observações de estrelas hospedeiras em um processo chamado monitoramento da variabilidade estelar, que pode ajudar com medições mais precisas dos trânsitos de exoplanetas.

Com mais exoplanetas sendo descobertos todos os meses, o potencial para astrônomos profissionais e amadores fazerem descobertas é ilimitado.

“Realmente parece que estamos em uma era de ouro da pesquisa de exoplanetas, e é incrível e muito divertido poder trabalhar neste campo”, disse Zellam. “E eu realmente acho que a ciência cidadã continuará sendo uma grande parte disso.”