O que vem depois do Webb? O telescópio caça-planetas de última geração da NASA

Quando se trata de construir telescópios espaciais enormes e complexos, agências como a NASA precisam planejar com muita antecedência. Embora o Telescópio Espacial James Webb tenha sido lançado recentemente, os astrônomos já estão ocupados pensando no que virá depois do Webb – e eles têm planos ambiciosos.

O grande plano para as próximas décadas de pesquisa em astronomia é encontrar planetas habitáveis ​​e talvez até procurar sinais de vida além da Terra. Esse é o grande objetivo do Habitable Worlds Observatory, um telescópio espacial atualmente em fase de planejamento que visa descobrir 25 planetas semelhantes à Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol.

Conversamos com dois dos cientistas que trabalham nos planos para este telescópio espacial de última geração para saber mais.

O poder da imagem direta

Um dos grandes desafios em encontrar planetas habitáveis ​​além do nosso sistema solar é o seguinte: raramente podemos ver esses planetas distantes diretamente, porque os planetas são muito pequenos e escuros em comparação com as estrelas. Então, para identificar um exoplaneta, os astrônomos geralmente inferem sua existência devido a seus efeitos em sua estrela hospedeira. Atualmente, ferramentas como os telescópios espaciais Hubble ou James Webb geralmente procuram quedas no brilho de uma estrela quando um planeta passa na frente dela, chamado de trânsito, ou procuram uma oscilação da estrela causada pela gravidade do planeta, chamado de método da velocidade radial.

Esses métodos nos dão pistas, mas para realmente entender os exoplanetas em profundidade, precisamos ser capazes de imaginá-los diretamente. Os telescópios atuais raramente são capazes de fazer isso porque requer um alto nível de precisão, mas os cientistas já estão planejando uma próxima geração de telescópios espaciais que serão capazes de capturar imagens de exoplanetas.

O próximo grande telescópio espacial a ser lançado é o Nancy Grace Roman Space Telescope, programado para ser lançado em 2027. Ele fará um levantamento do céu para estimar quantos exoplanetas habitáveis ​​existem por aí. Depois disso, vem o Habitable World Observatory, um telescópio espacial planejado que fará imagens diretas de exoplanetas semelhantes à Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol e que deve ser lançado por volta de 2040. Esta será a melhor chance que teremos até o momento de descobrir ambientes habitáveis ​​semelhantes à Terra mundos onde poderíamos procurar evidências de vida além da Terra.

Escolhendo o comprimento de onda certo

Se você acompanhou as notícias sobre o Telescópio Espacial James Webb, provavelmente já ouviu falar que ele aparece na parte infravermelha do espectro eletromagnético. Isso é essencial para seu objetivo de estudar as primeiras galáxias, pois permite que os cientistas vejam galáxias com altos níveis de desvio para o vermelho. O infravermelho também é útil para olhar através de nuvens de poeira e ver estruturas que, de outra forma, estariam escondidas.

O plano para o Habitable Worlds Observatory, no entanto, é olhar nos comprimentos de onda ópticos e ultravioleta. Esses comprimentos de onda são úteis para identificar as assinaturas de átomos específicos, como hidrogênio ou oxigênio, para que possamos apontar nossos instrumentos para um planeta e aprender de que é composta sua atmosfera.

Existem todos os tipos de opções para quais átomos ou compostos específicos poderíamos procurar, mas o oxigênio é a principal escolha no momento para o que é chamado de biomarcador, ou uma pista que indica a presença potencial de vida. Detectar oxigênio em um planeta distante pode ser um sinal de que merece uma inspeção mais aprofundada.

“Não existe uma assinatura de biomarcador perfeita”, disse David Sing, da Universidade Johns Hopkins, pois também podemos procurar átomos como o metano, e sempre há a possibilidade de um falso positivo, “mas o oxigênio é realmente importante”.

O oxigênio também emite um sinal muito forte, o que o torna relativamente mais fácil de detectar. Em particular, o ozônio – que é uma variação do oxigênio com três átomos unidos – tem uma assinatura muito forte no comprimento de onda ultravioleta. Pense em como a camada de ozônio na Terra nos protege da radiação ultravioleta do sol, e você pode ver como os cientistas poderiam inferir a presença de ozônio em um planeta distante se eles vissem um determinado comprimento de onda da luz ultravioleta sendo bloqueado.

Como construir um telescópio óptico/UV

Com foco nos comprimentos de onda ópticos e ultravioleta, o Habitable Worlds Observatory será mais parecido com o Telescópio Espacial Hubble do que com o Telescópio Espacial James Webb. E isso traz algumas vantagens em termos de como você constrói um telescópio.

Telescópios infravermelhos como o Webb são muito sensíveis à temperatura (porque quando as coisas esquentam, elas emitem radiação infravermelha). Portanto, para funcionar com precisão, o Webb precisa ser resfriado a temperaturas operacionais extremamente baixas de apenas alguns Kelvin para alguns instrumentos. Isso torna o telescópio mais complexo e caro de construir, pois requer um sistema de resfriamento criogênico.

Para um telescópio como o Habitable Worlds Observatory, esse tipo de resfriamento extremo não é necessário, o que ajuda a manter os custos baixos.

Outra diferença fundamental entre telescópios infravermelhos como o Webb e telescópios ópticos/ultravioleta como o Habitable Worlds Observatory é o espelho. O espelho primário do Webb é revestido de ouro, que reflete muito bem a luz infravermelha. Mas um telescópio óptico/ultravioleta tem um espelho revestido de prata, que é mais eficiente em refletir esses comprimentos de onda.

Novas tecnologias para uma nova década

De certa forma, já sabemos exatamente que tipos de instrumentos serão necessários para procurar mundos habitáveis, pois são atualizações de instrumentos existentes, e não conceitos inteiramente novos.

Por exemplo, os instrumentos em Habitable Worlds serão um pouco semelhantes aos de James Webb ou Hubble, pois consistirão em câmeras e espectrógrafos. As câmeras serão usadas para procurar exoplanetas em outros sistemas estelares e, uma vez identificado um planeta, ele poderá ser estudado com mais profundidade usando os espectrógrafos. Os espectrógrafos funcionam dividindo a luz recebida em diferentes comprimentos de onda, para ver quais comprimentos de onda foram absorvidos. Isso diz a você do que o objeto que você está olhando é composto – e é assim que você pode ver se um exoplaneta tem uma atmosfera e do que essa atmosfera é feita.

Refinar esses instrumentos e torná-los mais precisos não é um esforço trivial. Além da detecção direta, a próxima geração de telescópios espaciais também usará técnicas como velocidade radial para identificar exoplanetas. E espectrógrafos mais precisos permitirão técnicas como velocidade radial de extrema precisão, que permite medições mais precisas das massas de exoplanetas que orbitam estrelas parecidas com o Sol.

Mas também são necessários mais avanços teóricos. Um fator importante necessário para melhorar nossa compreensão dos exoplanetas, por exemplo, é melhorar nossa compreensão das estrelas. As estrelas podem se tornar mais brilhantes ou mais escuras por vários motivos, e precisamos ser capazes de modelar isso com mais precisão se quisermos determinar se uma variação é causada pela presença de um exoplaneta ou devido à variação da estrela.

Em busca de habitabilidade

Mesmo com um telescópio novinho em folha equipado com tecnologia novíssima, no entanto, não será uma questão simples encontrar vida além do nosso sistema solar. Isso porque a habitabilidade é um conceito complexo que requer mais do que apenas identificar um planeta parecido com a Terra orbitando uma estrela parecida com o Sol.

“Um planeta que parece ter o brilho certo para ser um planeta do tamanho da Terra, que tem uma órbita aproximadamente circular no que chamaríamos de zona habitável, mostra algumas evidências de vapor d'água, talvez algum oxigênio, não há planeta gigante interno isso agitou as coisas, a estrela não é muito ativa – esse é o tipo de sistema que esperamos encontrar como candidato a um planeta potencialmente habitável”, disse Scott Gaudi, da Ohio State University.

Mas, por mais tentador que seja imaginar um cenário em que construímos este telescópio, encontramos um planeta habitável e imediatamente detectamos vida, não é assim que isso funcionará, disse Gaudi.

Para procurar adequadamente por exoplanetas habitáveis, “realmente temos que obter todo o contexto, o que significa estudar os outros planetas nos sistemas, os discos de detritos, estudar as estrelas”, disse Gaudi. “Isso é o que realmente vai nos ajudar a entender se esses planetas são realmente habitáveis ​​ou não.”

Há uma tentação de imaginar que “vamos construir o Observatório dos Mundos Habitáveis, vamos encontrar vida e pronto”, disse Gaudi, mas “não vai funcionar assim. Se tivermos sorte, encontraremos um ou dois, talvez três, sistemas que parecem bastante promissores. E então teremos que construir algo ainda maior e melhor.”

Um esforço multigeracional

Mesmo que sejamos capazes de encontrar o sistema de aparência ideal com um mundo potencialmente habitável semelhante à Terra, o próximo passo seria examinar fatores ainda mais avançados, como quanto do planeta é coberto por oceanos e quanto é massa de terra. A busca por vida não é algo que será resolvido tão cedo, mas os cientistas agora estão preparando o terreno para o Habitable Worlds Observatory assumir a próxima parte do trabalho em 20 anos.

Isso é semelhante à maneira como o planejamento do Telescópio Espacial James Webb começou por volta de 2000, e os cientistas de hoje estão apenas começando a usar essa ferramenta para descobertas.

“Várias décadas atrás, eu era apenas um jovem estudante. Mas colhi os frutos de todo aquele trabalho árduo que as pessoas fizeram na época”, disse Sing. “E aquela geração de cientistas se sentiu assim porque as pessoas fizeram isso por eles com o Telescópio Espacial Hubble. Portanto, existe esse legado em que você está colhendo os frutos do que os cientistas seniores fizeram há 20 anos. E você quer ter certeza de que esse legado continuará daqui a 20 anos.”

Porque se perguntar se a vida poderia existir além da Terra é uma das questões mais profundas que a ciência enfrenta hoje, e não será resolvida rapidamente. O Habitable Worlds Observatory é o próximo passo nessa jornada, mas não será o ponto final.

“Este é um empreendimento de várias gerações, provavelmente de vários séculos, em que estamos”, disse Gaudi. “E acho que devemos ser otimistas sobre esse processo, mas também devemos ser humildes.”