O que são exoplanetas?

Transcrição

1 EXOPLANETAS

2 O que são exoplanetas? Um exoplaneta (ou planeta extra-solar) é um planeta que orbita uma estrela que não seja o Sol e, portanto, pertence a um sistema planetário diferente do nosso. Hipotetizados por Giordano Bruno em ~1600 (=> aula História), Isaac Newton (século XVIII) detecções alegadas no século XIX mas o primeiro foi encontrado só em Giordano Bruno

3 O que são exoplanetas? Até 14 de Agosto de 2014, haviam 1815 exoplanetas detectados em 1130 sistemas planetários. Deve ter pelo menos um planeta para cada estrela (da Via Láctea), em média. existem sistemas com vários planetas (como o Sistema Solar) estrelas duplas com planetas, orbitando uma ou ambas as estrelas Existem planetas (sub-anãs marrons) flutuando livremente também, q. d. não orbitando alguma estrela (podem ser até trilhões na Via Láctea!).

4 O que são exoplanetas? Definição de planeta no Sistema Solar (IAU, 2006, => aula Asteróides, Cometas): 1. Orbitar uma estrela, i. e. o Sol. 2. Massa alta o suficiente para ter forma esférica pela gravitação própria. 3. Ter esvaziado a vizinhança da órbita. Para exoplanetas ainda falta uma definição clara! Uma definição possível inclui uma massa limite superior, por exemplo a massa limite para fusão nuclear (~13 MJupiter). A partir desta massa se fala de Anãs Marrons. Outra definição possível distingue entre planetas e Anãs Marrons pelo mecanismos de formação (aglomeração de planetesimais num disco protoplanetária vs. colapso de uma nuvem de gás)

5 O que são exoplanetas? O nome de um exoplaneta se compõe do nome da estrela, em torno daquela ele orbita (a estrela mãe ), seguido por uma letra minúscula, dando a ordem de descoberta do planeta no sistema planetário da estrela, começando por b. exemplo: β Pictoris b é o primeiro planeta descoberto em torno da estrela β Pictoris Esta nomenclatura apresenta problemas para planetas em sistemas de estrelas binárias

6 Como se encontra exoplanetas? Existem vários métodos de detecção: - Velocidade Radial Imagem Direta Trânsito Efeito Microlente "Timing" Astrometria e outros... A técnica utilizada para a detecção dos exoplanetas influencia muito no tipo de planetas que conhecemos até a atualidade. Por exemplo, até faz pouco não se conhecia nenhum exoplaneta tão pequeno quanto a Terra. Isso deve-se ao fato de que os métodos favorecem a detecção de planetas de alta massa.

7 Fotografar Exoplanetas (Imagem direta) Fotografar um planeta do Sistema Solar é relativamente fácil, pois eles estão entre os astros mais brilhantes do céu. Isso porque eles estão relativamente próximos, porém, à medida que nos distanciamos, os planetas se tornam cada vez mais fracos. Além de serem pouco brilhantes, os planetas se encontram ao redor de uma estrela que, assim como nosso Sol, é muito brilhante. O planeta tem, em geral, menos que um millionésimo do brilho da sua estrela mãe. Isso faz com que a luz da estrela ofusque o fraco brilho dos planetas e dificulte ainda mais a obtenção de imagens. A dificuldade de se conseguir essa foto é comparável a fotografar uma formiga ao lado de um farol que se encontra a 400 km de distância.

8 Fotografar Exoplanetas (Imagem direta) Apesar da dificuldade, já existem imagens diretas de planetas. Essas imagens foram obtidas utilizando-se de diversas técnicas, como o uso de coronógrafos, instrumentos que realizam eclipses artificiais da estrela. Essas imagens são obtidas em infravermelho. No infravermelho, os planetas são um pouco mais brilhantes e as estrelas um pouco mais fracas, isso ajuda na diminuição do contraste e melhora as condições para obter imagens diretas. HD b

9 Fotografar Exoplanetas (Imagem direta) Por este método, é possível estimar a temperatura (pela cor /espectro) e o tamanho (pelo brilho aparente) do planeta, mas o método não ajuda muito para determinar a massa. O método só serve para encontrar planetas que orbitam as suas estrelas em grandes distâncias (>100 AU).

10 Fotografar Exoplanetas (Imagem direta) Apesar de ser o método mais direto de detecção, poucos exoplanetas foram encontrados por Imagem Direta. β Pictoris b

11 Efeitos gravitacionais Sabe-se que as estrelas exercem uma força gravitacional sobre os planetas, mantendo-os em órbita. Da mesma maneira, os planetas também exercem força gravitacional sobre a estrela, porém, muito mais fraca que aquela exercida pela estrela. Assim, da mesma forma que os planetas realizam órbitas ao redor da estrela, a estrela também realiza pequenas órbitas ao redor de um ponto chamado baricentro ou centro de massa, que é o ponto de equilíbrio entre os dois corpos. Como a estrela é muito maior que o planeta, esse ponto de equilíbrio normalmente localiza-se dentro da própria estrela. Portanto, a estrela realiza órbitas que mais se parecem com um bamboleio. Medir esse bamboleio da estrela requer uma grande precisão instrumental.

12 Velocidade Radial O método de velocidade radial, também conhecido como "método de Doppler" mede variações na velocidade com a qual a estrela se afasta ou se aproxima de nós. Mais especificamente, mede a componente da velocidade estelar ao longo da linha de visada (a linha imaginária que une o observador ao objeto), pelo Efeito Doppler.

13 Velocidade Radial Já que a influencia do planeta sobre a estrela é maior, se o planeta tem massa alta e uma órbita perto da estrela (com raio pequeno), é este o tipo de planeta, às vezes chamado de Júpiters Quentes, que é predominantemente encontrado por este método. O método também favorece a detecção de planetas com órbitas paralelas à linha de visada. O método fornece um limite inferior para a massa do exoplaneta. Até o final do ano passado, a velocidade radial era o método de detecção de planetas estrasolares de maior sucesso. Essa técnica sozinha detectou da ordem de 800 de todos os exoplanetas encontrados.

14 Eclipses Exoplanetários (trânsitos) Uma das técnicas mais utilizadas para detectar exoplanetas é o chamado método de trânsito O "trânsito" em Astronomia refere-se à passagem de um astro em frente de outro. Ele funciona apenas com uma pequena % de planetas cujos planos orbitais estejam perfeitamente alinhados com nossa linha de visada, mas pode ser aplicado mesmo a estrelas muito distantes.

15 Eclipses Exoplanetários (trânsitos) A passagem de um planeta na frente de uma estrela faz com que a estrela pareça estar um pouquinho menos brilhante e dessa forma destacamos o planeta. Assim, quanto maior for o planeta, maior será a diminuição do brilho que esse planeta causa, o que ajuda a estimar o tamanho dele. Por isto também, é muito difícil detectar planetas pequenos (do tamanho da Terra). Combinando os métodos da velocidade radial e de eclipses, dá para determinar massa, raio e raio orbital de um exoplaneta.

16 Eclipses Exoplanetários (trânsitos) Hoje existem dois telescópios especiais que se dedicam a procurar planetas de massa comparável à da Terra por esse método: CoRoT, da ESA e a missão KEPLER da NASA.

17 Kepler Lançado em 2009 Operante desde 2012 monitorando constantemente 145'000 estrelas até 06/2014: 977 exoplanetas confirmados a serem confirmados Levou a estimativas de um número gigantesco de planetas tipo Terra na Via Láctea (até 40 bio.)

18 Microlentes gravitacionais A gravidade de uma estrela ou um planeta curva a luz, assim como fazem as lentes de óculos, por isso o nome microlentes gravitacionais (=> Aula Via Láctea). Mais do que curvar a luz, esta é intensificada, assim, pode-se medir a estrela se tornando mais brilhante devido a esse fenômeno. A presença de um planeta em torno da estrela lente faz com que a luz seja curvada de forma diferente, como se fosse uma lente com pequenos riscos. Isso faz com que a intensidade da luz varie de forma distinta, permitindo detectar o planeta.

19 Microletentes gravitacionais Esse método possui o inconveniente de que ele só acontece uma vez e não se repetirá para aquela estrela, por isso há somente uma oportunidade de realizar a observação.

20 Timing A presença de um exoplaneta pode afetar fenômenos temporais da estrela mãe ou de outros planetas presentes (e talvez já detectados), p. e.: - a órbita do(s) outro(s) planeta(s) - as frequências das pulsações da estrela, caso esta é uma estrela variável - as emissões de pulsos da estrela, caso esta é um pulsar (método não muito produtivo: até hoje forneceu só cinco detecções, mas o primeiro exoplaneta confirmado foi um destes cinco) Existem outros possíveis métodos de detecção, como astrometria (observar o bamboleio da estrela mão diretamente), modulações da reflexão da luz da estrela mãe, polarização da luz refletida, e outros, que até hoje detectaram muito poucos ou nenhum exoplaneta.

21 Descobertas de Exoplanetas por Ano e Método (Junho 2014) Velocidade Radial Trânsito "Timing" Imagem Direta Efeito Microlente

22 Propriedades dos exoplanetas Apesar da pesquisa em exoplanetas ser motivada principalmente pela busca por planetas parecidos com o nosso, os primeiros planetas detectados fora do Sistema Solar possuem característica muito distintas da nossa Terra, mas também de qualquer outro planeta do nosso Sistema Solar. Alguns exoplanetas orbitam suas estrelas a uma distância muito pequena, esses planetas também possuem massas muito grandes, da ordem de algumas vezes a massa de Júpiter, o maior planeta do Sistema Solar. Esse tipo de planeta não era esperado, uma vez que aqui em nosso sistema planetário, todos os chamados planetas gigantes gasosos residem em órbitas distantes, da ordem de 5 a 30 vezes a distância da Terra ao Sol. Alguns exoplanteas chegam a orbitar a estrela a menos de um centésimo da distância da Terra ao Sol. Isso faz com que esses corpos sejam muito quentes, Júpiters Quentes, bem diferente do que acontece com os planetas gigantes do nosso sistema.

23 Propriedades dos Exoplanetas Nesta figura se vê bem, que o tipo de exoplaneta detectado depende do método usado. Velocidade Radial Trânsito "Timing" Imagem Direta Efeito Microlente

24 Propriedades dos exoplanetas Mas isto foi devido a um viés observacional, já que o método de maior sucesso até então, o da velocidade radial, favorece a detecção de Júpiters Quentes. Hoje, com os dados da missão Kepler, o número de exoplanetas detectados com tamanhos da ordem da da Terra está crescendo.

25 Propriedades dos exoplanetas Dependendo da massa, os exoplanetas podem ser classificados em quatro categorias: Planetas Terrestres (parecidos com os planetas terrestres do Sistema Solar), - Super-Terras : similar, mas maiores - Netunos (como Urano e Netuno) Gigantes Gasosos: Como Saturno ou Júpiter ou com massas maiores ainda

26 Propriedades dos exoplanetas Os primeiras planetas encontrados pelo satéllite Kepler: Tipo de planeta em função da distância até a estrela mãe

27 Propriedades dos exoplanetas! Dependendo da temperatura, que depende fortemente da distância do planeta a sua estrela mãe, as propriedades de exoplanetas podem ser bem diferentes daqueles do Sistema Solar. Exemplo: Os Júpiters Quentes

28 Propriedades dos exoplanetas Estima-se, que ~20 % das estrelas da Via Láctea têm planetas tipo Júpiter e 40 %, tipo Terra Em geral, é em torno de estrelas de alta metalicidade (fração grande de elementos pesados) que planetas são encontrados.

29 Propriedades dos exoplanetas Então, provavelmente, exoplanetas com massas terrestres são muito frequentes

30 Propriedades dos Exoplanetas Exoplaneta mais próximo detectado: α Centauri Bb: 4.4 anos luz daqui Mais distante: talvez encontraram um na galáxia de Andrômeda, a 2.5 mio. anos luz daqui! (a ser confirmado) Massas: 0.02 MTerra 28.5 MJupiter Raios: 0.3 RTerra 2.2 RJupiter Densidades: g/cm3 Semi-eixos das órbitas: AU (em torno de uma estrela binária) Períodos orbitais: 0.24 dias terrestres 163'000 anos terrestres Sistemas com até 9(+2?) planetas detectados

31 Do que são feitos? Quando um planeta passa na frente da sua estrela, podemos ver o espectro da sua atmosfera em absorção, e quando ele está ao lado da estrela, em emissão. Desta maneira deveríamos conseguir determinar a composição da sua atmosfera. O problema é decompor este espectro daquele da estrela, muito mais intenso. Detectar o espectro refletido pela superfície do planeta, para determinar a composição desta superfície, é mais difícil ainda.

32 Do que são feitos? Recentemente detectou-se pela primeira vez o espectro de um exoplaneta. Encontrou-se sódio no espectro de um exoplaneta; Água, monóxido de carbono, gás carbônico e metano na de um outro; e água nas atmosferas de alguns outros exoplanetas. Mas ainda são poucos os resultados.

33 Do que são feitos? A Terra possui uma atmosfera que é constituída principalmente do gás nitrogênio e oxigênio, além de outros gases em menor quantidade. Esses elementos também produzem seus "códigos de barras" no espectro. Acredita-se que a única maneira de se saber se existe vida em outro planeta, é medindo a composição da sua atmosfera e descobrindo gases que são produzidos exclusivamente por processos biológicos. A Terra pode servir como um bom laboratório, uma vez que sabemos que possui vida, e então buscaremos padrões parecidos com aqueles encontrados aqui. Mais sobre estes assuntos nas próximas duas aulas, sobre Vida no Espaço.

34 A variedade de Sistemas com Planetas Múltiplos Dados: Kepler

35 Alguns Sistemas particulares

36 Alguns Sistemas particulares Zona Habitável: => Aula sobre Vida no Espaço! As imagens de exoplanetas neste e outros slides são interpretações artísticas. Não necessáriamente representam bem as aparências verdadeiras.

37 Alguns Sistemas particulares Comparação de tamanhos de planetas do Sistema Kepler-20 com os planetas do Sistema Solar

38 Alguns Sistemas particulares Mesma coisa para Kepler-37

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41 Planetas Possivelmente Habitáveis Mais sobre planetas habitáveis nas aulas sobre Vida no Espaço

42 Planetas Possivelmente Habitáveis Mais sobre planetas habitáveis nas aulas sobre Vida no Espaço

43 Ùltimos e Futuros Avanços Já conseguiram medir o período rotacional de uma exoplaneta: β Pictoris b gira em torno do seu eixo em 8 horas (similar a Júpiter) Com a nova geração de telescópios (prontos em ~2018) conseguirão fazer um mapa da suérfície deste planeta (de muito baixa resolução, claro) Em decembre de 2013 detectaram o primeiro candidato a exo-lua de um planeta flutuando livremente

44 FIM Fontes Slides do Paulo do ano passado The Extrasolar Planets Encyclopaedia: NASA Exoplaner arquive: Wikipedia: