James Webb é capaz de detectar bioassinaturas fracas na luz proveniente de exoplanetas
Os ingredientes para a vida estão espalhados por todo o Universo. Embora a Terra seja o único lugar conhecido no Universo com vida, detectar vida além da Terra é um dos principais objetivos da astronomia moderna e da ciência planetária.
Somos dois cientistas que estudam exoplanetas e astrobiologia. Graças em grande parte aos telescópios de última geração como James Webb, pesquisadores como nós em breve poderão medir a composição química das atmosferas dos planetas ao redor de outras estrelas. A esperança é que um ou mais desses planetas tenham uma assinatura química de vida.
Exoplanetas habitáveis
A vida pode existir no Sistema Solar onde há água líquida – como os aquíferos subterrâneos em Marte ou nos oceanos da lua de Júpiter, Europa. No entanto, procurar vida nesses lugares é incrivelmente difícil, pois são difíceis de alcançar, e detectar a vida exigiria o envio de uma sonda para retornar amostras físicas.
Muitos astrônomos acreditam que há uma boa chance de que exista vida em planetas que orbitam outras estrelas, e é possível que seja onde a vida será encontrada pela primeira vez.
Cálculos teóricos sugerem que existem cerca de 300 milhões de planetas potencialmente habitáveis apenas na Via Láctea e vários planetas habitáveis do tamanho da Terra dentro de apenas 30 anos-luz da Terra – essencialmente vizinhos galácticos da humanidade.
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Até agora, os astrônomos descobriram mais de 5.000 exoplanetas, incluindo centenas de potencialmente habitáveis, usando métodos indiretos que medem como um planeta afeta sua estrela próxima. Essas medições podem fornecer aos astrônomos informações sobre a massa e o tamanho de um exoplaneta, mas não muito mais.
Procurando bioassinaturas
Para detectar vida em um planeta distante, os astrobiólogos estudarão a luz das estrelas que interagiu com a superfície ou atmosfera de um planeta. Se a atmosfera ou superfície foi transformada pela vida, a luz pode conter um indicador, chamada de “bioassinatura”.
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Durante a primeira metade de sua existência, a Terra ostentou uma atmosfera sem oxigênio, embora abrigasse vida simples e unicelular. A bioassinatura da Terra era muito fraca durante esta era inicial. Isso mudou abruptamente 2,4 bilhões de anos atrás, quando uma nova família de algas evoluiu.
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As algas usaram um processo de fotossíntese que produz oxigênio livre – oxigênio que não está quimicamente ligado a nenhum outro elemento. A partir desse momento, a atmosfera cheia de oxigênio da Terra deixou uma bioassinatura forte e facilmente detectável na luz que passa por ela.
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Quando a luz reflete na superfície de um material ou passa através de um gás, é mais provável que certos comprimentos de onda da luz permaneçam presos na superfície do gás ou do material do que outros. Esse aprisionamento seletivo de comprimentos de onda de luz é o motivo pelo qual os objetos são de cores diferentes.
As folhas são verdes porque a clorofila é particularmente boa para absorver a luz nos comprimentos de onda vermelho e azul. À medida que a luz atinge uma folha, os comprimentos de onda vermelho e azul são absorvidos, deixando principalmente a luz verde para refletir de volta em seus olhos.
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O padrão de falta de luz é determinado pela composição específica do material com o qual a luz interage. Por isso, os astrônomos podem aprender algo sobre a composição da atmosfera ou superfície de um exoplaneta, em essência, medindo a cor específica da luz que vem de um planeta.
Esse método pode ser usado para reconhecer a presença de certos gases atmosféricos associados à vida – como oxigênio ou metano – porque esses gases deixam assinaturas muito específicas na luz. Também poderia ser usado para detectar cores peculiares na superfície de um planeta.
Na Terra, por exemplo, a clorofila e outros pigmentos que plantas e algas usam para a fotossíntese capturam comprimentos de onda específicos de luz.
Esses pigmentos produzem cores características que podem ser detectadas usando uma câmera infravermelha sensível. Se você visse essa cor refletida na superfície de um planeta distante, isso significaria potencialmente a presença de clorofila.
Telescópios no espaço e na Terra
É preciso um telescópio incrivelmente poderoso para detectar essas mudanças sutis na luz proveniente de um exoplaneta potencialmente habitável. Por enquanto, o único telescópio capaz de tal façanha é o novo Telescópio Espacial James Webb.
Ao iniciar as operações científicas em julho de 2022, James Webb fez uma leitura do espectro do exoplaneta gigante gasoso WASP-96b. O espectro mostrou a presença de água e nuvens, mas é improvável que um planeta tão grande e quente quanto WASP-96b hospede vida.
No entanto, esses dados iniciais mostram que James Webb é capaz de detectar assinaturas químicas fracas na luz proveniente de exoplanetas.
Nos próximos meses, o Webb deve voltar seus espelhos para TRAPPIST-1e, um planeta potencialmente habitável do tamanho da Terra a apenas 39 anos-luz da Terra.
Webb pode procurar bioassinaturas estudando planetas à medida que passam na frente de suas estrelas hospedeiras e capturando a luz estelar que filtra através da atmosfera do planeta. Mas o Webb não foi projetado para procurar vida, então o telescópio só é capaz de examinar alguns dos mundos potencialmente habitáveis mais próximos.
Ele também só pode detectar mudanças nos níveis atmosféricos de dióxido de carbono, metano e vapor de água . Embora certas combinações desses gases possam sugerir vida, o Webb não é capaz de detectar a presença de oxigênio não ligado, que é o sinal mais forte para a vida.
Os principais conceitos para futuros telescópios espaciais ainda mais poderosos incluem planos para bloquear a luz brilhante da estrela hospedeira de um planeta para revelar a luz estelar refletida de volta do planeta. Essa ideia é semelhante a usar a mão para bloquear a luz do sol para ver melhor algo à distância.
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Os futuros telescópios espaciais poderiam usar pequenas máscaras internas ou naves espaciais grandes, externas, semelhantes a guarda-chuvas para fazer isso. Uma vez que a luz das estrelas é bloqueada, fica muito mais fácil estudar a luz refletida em um planeta.
Existem também três enormes telescópios terrestres atualmente em construção que serão capazes de procurar bioassinaturas: o Giant Magellen Telescope , o Thirty Meter Telescope e o European Extremely Large Telescope.
Cada um é muito mais poderoso do que os telescópios existentes na Terra e, apesar da desvantagem da atmosfera da Terra que distorce a luz das estrelas, esses telescópios podem ser capazes de sondar as atmosferas dos mundos mais próximos em busca de oxigênio.
É biologia ou geologia?
Mesmo usando os telescópios mais poderosos das próximas décadas, os astrobiólogos só poderão detectar bioassinaturas fortes produzidas por mundos que foram completamente transformados pela vida.
Infelizmente, a maioria dos gases liberados pela vida terrestre também pode ser produzida por processos não biológicos – vacas e vulcões liberam metano. A fotossíntese produz oxigênio, mas a luz solar também, quando divide as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio.
Há uma boa chance de os astrônomos detectarem alguns falsos positivos ao procurar por vida distante. Para ajudar a descartar falsos positivos, os astrônomos precisarão entender um planeta de interesse o suficiente para entender se seus processos geológicos ou atmosféricos podem imitar uma bioassinatura.
A próxima geração de estudos de exoplanetas tem o potencial de ultrapassar a barreira das extraordinárias evidências necessárias para provar a existência de vida. O primeiro lançamento de dados do Telescópio Espacial James Webb nos dá uma noção do emocionante progresso que está chegando. Veja as imagens ao vivo do poderoso James Web.
Chris Impey , professor de astronomia da Universidade do Arizona e Daniel Apai, professor de astronomia e ciências planetárias da Universidade do Arizona .
Este artigo é republicado de The Conversation.
