Os estudos de exoplanetas têm experimentado avanços significativos em um curto período de tempo. Até o momento, 5.523 exoplanetas foram confirmados em 4.117 sistemas, com outros 9.867 candidatos aguardando confirmação. Com esse vasto universo de planetas disponíveis para estudo, os pesquisadores de exoplanetas estão direcionando seus esforços da detecção para a caracterização, ou seja, buscando sinais potenciais de vida e atividade biológica, conhecidos como bioassinaturas.
Espera-se que grandes descobertas sejam feitas nos próximos anos, em parte graças aos observatórios de próxima geração, como o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, bem como a missão PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) da ESA. Além disso, instalações terrestres, como o Extremely Large Telescope (ELT), o Giant Magellan Telescope (GMT) e o Thirty Meter Telescope (TMT), serão essenciais para a caracterização de exoplanetas. No entanto, observatórios já existentes também podem ser aprimorados para realizar pesquisas cruciais sobre exoplanetas.
Uma equipe internacional de astrônomos explorou essa ideia em um artigo recente, apresentando os primeiros resultados do High-Resolution Imaging Spectrometer Experiment (HiRISE), recentemente instalado no Very Large Telescope (VLT) do ESO. É importante não confundir este instrumento com a câmera High-Resolution Imaging Science Experiment do Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) da NASA.
O estudo foi liderado pelo Dr. Arthur Vigan, pesquisador do Centre Nationale Reserches Scientifique, sediado no Laboratoire d’Astrophysique de Marseille. Ele contou com a colaboração de pesquisadores de diversas instituições renomadas. Uma prévia do artigo foi recentemente disponibilizada online e está em processo de revisão para publicação na revista Astronomy & Astrophysics.
Com o avanço da instrumentação e do aprendizado de máquina, a pesquisa de exoplanetas tem se voltado cada vez mais para a caracterização. Com uma amostra tão grande de planetas, os cientistas estão agora caracterizando as atmosferas de planetas individuais e tirando conclusões estatísticas de grandes amostras. Esses avanços também estão levando a uma transição nos métodos de estudo, com a técnica de Imagem Direta sendo cada vez mais utilizada. Esta técnica consiste em detectar exoplanetas através da imagem da luz refletida de suas atmosferas e superfícies.
Isso contrasta com métodos indiretos, como a Fotometria de Trânsito ou a Espectroscopia Doppler, que foram responsáveis pela maioria das detecções e confirmações de exoplanetas até agora. Uma grande vantagem da Imagem Direta é que os astrônomos podem examinar a luz refletida usando espectrômetros para determinar a composição química da atmosfera de um exoplaneta. Como mencionou o Dr. Vigan:
“Detectar esses objetos e medir espectros precisos ainda é um desafio, devido à pequena separação angular dos seus astros hospedeiros e à grande diferença de brilho entre eles. Uma analogia clássica é tentar imaginar uma vela a 1 metro de distância de um farol, observando a 700 km de distância! No campo da imagem direta, a combinação de imagens de alto contraste, que permite a detecção desses planetas, com espectroscopia de alta resolução, é um tópico muito atual. É exatamente isso que o HiRISE permite no VLT.”
O instrumento HiRISE foi projetado para caracterizar planetas gigantes extrassolares (EGPs) na banda infravermelha H, uma janela de transmissão atmosférica que os astrônomos usam para medir a absorção por vapor de água, atividade vulcânica e outros fenômenos atmosféricos. Ele combina o imager Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) com o recentemente atualizado espectrógrafo CRyogenic high-resolution InfraRed Echelle Spectrograph (CRIRES) usando fibras ópticas de modo único. A adição deste instrumento ampliará significativamente as capacidades de imagem do VLT, que atualmente são limitadas em termos de resolução espectral em comparação com outros observatórios.
Isso é particularmente o caso para o SPHERE, disse o Dr. Vigan, que é dedicado à descoberta de exoplanetas via Imagem Direta, mas tem uma resolução máxima de apenas cerca de 70. “Outros instrumentos, como o SINFONI (aposentado) ou agora o ERIS, oferecem resoluções mais altas, mas não são realmente otimizados para a imagem de exoplanetas. O GRAVITY forneceu alguns resultados excelentes com interferometria, mas, exceto em alguns casos, está limitado a uma resolução de algumas centenas”, explicou. “Em contraste, o HiRISE permite uma resolução de 100.000! Isso abre a porta para uma caracterização espectral muito mais detalhada e para medir parâmetros dinâmicos, como a velocidade com que esses planetas orbitam em torno de sua estrela e a rapidez com que giram.”
Além da caracterização atmosférica, essas medições ajudarão os astrônomos a investigar a formação, composição e evolução dos EGPs, abordando alguns mistérios significativos e ajudando os astrônomos a refinar seus modelos de formação do sistema solar. Com base na primeira luz coletada usando o novo instrumento HiRISE, a equipe demonstrou como sua incorporação ao VLT levou a melhorias na astrometria, estabilidade temporal, aberrações ópticas e transmissão. Além disso, o artigo mostra como instrumentos e observatórios existentes podem ser aprimorados para fornecer imagens de alto contraste ou espectroscopia de alta dispersão, acoplando-os com fibras ópticas.
Isso oferece uma alternativa econômica à criação de novas instalações do zero, como é o caso do ELT, GMT e TMT. Como esses exemplos demonstraram, a criação de novas instalações é cara, sujeita a atrasos e pode gerar controvérsias em relação a onde as instalações estão sendo construídas (ecossistemas sensíveis, ambientes protegidos, terras indígenas, etc.). Como explicou o Dr. Vigan:
“Projetar, fabricar, testar e instalar um novo instrumento em um grande telescópio terrestre é um processo longo e caro: 10 anos e cerca de 20 milhões de euros (incluindo 10 milhões em hardware) para o instrumento SPHERE no VLT. Isso sem levar em conta que você precisa de um foco disponível no telescópio para o novo instrumento. A vantagem de acoplar instrumentos existentes é que você pode avançar muito mais rápido e de forma mais econômica, enquanto ainda cria um excelente instrumento que se beneficia dos já existentes.”
No caso do HiRISE, acrescentou, levou cerca de cinco anos de desenvolvimento e custou cerca de €900.000 para construir, incluindo outros €200.000 para o hardware, totalizando €1,1 milhão ($1,16 milhão). Em contraste, o Observatório Europeu do Sul estimou o custo de construção do ELT em $1,5 bilhão em 2020 (€1,42 bilhão). Isso ocorreu após o ESO aprovar um aumento de orçamento de 10%, e a instalação não será concluída por vários anos. Enquanto isso, o Dr. Vigan e o ESO esperam iniciar observações com o VLT aprimorado em novembro, o que servirá como um precursor para outros observatórios:
“Esperamos que o HiRISE abra o caminho para futuros instrumentos, por exemplo, nos telescópios extremamente grandes (ELTs). Aprendemos muito ao projetar o instrumento e agora investigaremos seus limites. O ELT europeu, construído pelo ESO, terá em algum momento um instrumento de imagem de exoplanetas voltado para a detecção de análogos da Terra em torno de estrelas próximas. Já está previsto que o instrumento incluirá um modo de espectroscopia de alta resolução para ajudar a aumentar a detecção. Tudo o que fizemos e aprendemos com o HiRISE será um excelente ponto de partida.”
Em conclusão, os avanços na pesquisa de exoplanetas têm sido notáveis, e a combinação de novas tecnologias, instrumentação avançada e colaborações internacionais promete trazer descobertas ainda mais emocionantes no futuro próximo. A capacidade de caracterizar exoplanetas, entender suas atmosferas e potencialmente identificar sinais de vida é uma fronteira emocionante da ciência astronômica. Com instrumentos como o HiRISE e os futuros telescópios extremamente grandes, estamos nos aproximando cada vez mais de responder a algumas das questões mais profundas sobre nosso lugar no universo.
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