Fotometria de trânsito – Um Método para Encontrar Planetas como a Terra

Fotometria de trânsito é um método que detecta planetas distantes, medindo o atenuação minuciosa de uma estrela quando um planeta em órbita passa entre ele e a Terra. A passagem de um planeta entre uma estrela e a Terra é chamada de “trânsito”. Se tal escurecimento for detectado em intervalos regulares e durar um período de tempo fixo, então é muito provável que um planeta esteja orbitando a estrela e passando na frente dela uma vez por cada período orbital.

O escurecimento de uma estrela durante o trânsito reflete diretamente a relação de tamanho entre a estrela e o planeta. Um pequeno planeta que transita uma estrela grande criará apenas um leve escurecimento. Enquanto um grande planeta que transita uma pequena estrela terá um efeito mais notável. O tamanho da estrela hospedeira pode ser conhecido com uma precisão considerável de seu espectro, e a fotometria, portanto, dá aos astrônomos uma boa estimativa do tamanho do planeta em órbita, mas não a sua massa. Isso torna a fotometria um excelente complemento ao método espectroscópico. Que fornece uma estimativa da massa de um planeta, mas não o seu tamanho. Usando ambos os métodos, combinando massa e tamanho, os cientistas podem calcular a densidade do planeta, um passo importante para avaliar sua composição.

Vantagens

A fotometria de trânsito é atualmente o método mais efetivo e sensível para a detecção de planetas extra-solares.  A missão Kepler, lançada em março de 2009, usa fotometria para procurar planetas extra-solares do espaço. A sensibilidade da nave espacial é tal que já detectou milhares de candidatos planetários. Incluindo vários que são de tamanho da Terra e orbitando na zona habitável de sua estrela. Nenhum outro método proposto atualmente pode igualar o volume da pesquisa ou sua sensibilidade.

Os trânsitos também podem fornecer aos cientistas uma grande quantidade de informações sobre o planeta que não é mensurável. Em primeiro lugar, o “mergulho” na luminosidade de uma estrela durante o trânsito é diretamente proporcional ao tamanho do planeta. Uma vez que o tamanho da estrela é conhecido com um alto grau de precisão. O tamanho do planeta pode ser deduzido do grau em que escurece durante o trânsito.

Velocidade Radial

Quando combinados com dados de velocidade radial, um trânsito também pode fornecer uma boa estimativa da massa do planeta. Isso ocorre porque um planeta em trânsito está necessariamente em uma posição de “borda” para um observador na Terra. Nessas condições, a massa mínima normalmente fornecida pelas medidas de velocidade radial é, de fato, a verdadeira massa do planeta. Em conjunto, o tamanho e a massa do planeta fornecem aos cientistas uma pista crucial quanto à sua composição: a densidade do planeta.

Mas os trânsitos fornecem ainda mais informações. A luz da estrela que passa pela atmosfera do planeta é absorvida em diferentes graus em diferentes comprimentos de onda. Este “espectro de absorção” depende dos diferentes gases presentes na atmosfera. Ao monitorar a profundidade do trânsito em diferentes comprimentos de onda, os cientistas podem recriar o espectro de absorção e deduzir a composição da atmosfera.

Transes secundários

Além dos transes “primários”, que ocorrem quando um planeta passa em frente à sua estrela. Os cientistas também estão interessados ​​em transes “secundários”. Que ocorrem quando um planeta desaparece por completo atrás da estrela como visto da Terra. Ao deduzir o espectro de luz da estrela quando o planeta está escondido do espectro quando é visível. Os cientistas podem chegar ao espectro real do planeta. Deste modo, podem deduzir a sua temperatura, bem como a composição da sua atmosfera.

Finalmente, pesquisas de fotometria de trânsito podem operar em uma escala maciça. Pesquisas baseadas em terra, como TrES, OGLE, HAT e WASP, e pesquisas baseadas no espaço, como a Kepler, rastreiam até cem mil estrelas de cada vez para sinais de um planeta em trânsito. Dada a escala das pesquisas, é provável que a fotometria de trânsito em breve ultrapasse todos os outros métodos no grande número de planetas detectados.

Desvantagens

A principal dificuldade com este método é que, para que o efeito fotométrico seja medido, um transito deve ocorrer. Isso significa que o planeta distante deve passar diretamente entre a estrela e a Terra. Infelizmente, para a maioria dos planetas extra-solares isso simplesmente nunca acontece. Para que ocorra um trânsito, o plano orbital deve ser quase exatamente “bordado” para o observador, e isso é verdade apenas de uma pequena minoria de planetas distantes. O resto nunca será detectado com fotometria.

Outro problema é que o trânsito de um planeta dura apenas uma pequena fração de seu período orbital total. Um planeta pode levar meses ou anos para completar sua órbita, mas o trânsito provavelmente durará apenas horas ou dias. Como resultado, mesmo quando os astrônomos observam uma estrela com um planeta em trânsito, eles são extremamente improváveis ​​de observar um trânsito em andamento. O problema ainda é agravado porque. Para estabelecer a presença de um planeta, os astrônomos precisam observar não um, mas os trânsitos repetidos ocorrendo em intervalos regulares.

Finalmente, a experiência com a fotometria de trânsito mostrou que o método tende a produzir “falsos positivos”. Instâncias em que uma estrela binária é confundida com um planeta orbitando uma estrela. Normalmente o planeta, sendo menor, criará um mergulho muito menor na luminosidade de uma estrela do que seria uma estrela em trânsito. Mas, às vezes, uma estrela binária vista da Terra é posicionada muito perto de uma estrela muito brilhante. Dificultando a separação entre as duas. Nesses casos, o binário transitório criará apenas um mergulho relativamente superficial na luminosidade combinada do binário e seu vizinho aparente. Da Terra, parece que um trânsito planetário estaria ocorrendo, criando um “falso positivo”.

Estratégias de busca

Para encontrar planetas em trânsito no momento do trânsito. As buscas devem cobrir continuamente grandes extensões de céu contendo muitas estrelas por longos períodos de tempo. É altamente provável que pelo menos algumas das estrelas observadas tenham planetas. E que pelo menos alguns desses planetas passarão entre a estrela e a Terra. Observar o mesmo lote de estrelas por longos períodos de tempo também faz muito mais provável que, se um planeta transitar a sua estrela, o evento será observado e gravado.

Obviamente, nenhum caçador de planeta pode realizar essas observações por conta própria. Mesmo que ele ou ela esteja equipado com o equipamento mais sensível para medir a luz das estrelas. Somente um telescópio automatizado que registra suas observações em longos períodos de tempo pode efetivamente detectar planetas usando este método. Vários desses projetos estão em andamento em todo o mundo.

Projetos de fotometria selecionada

Kepler, um observatório de fotometria espacial, lançado em março de 2009. E que a partir de janeiro de 2013 identificou mais de 2.700 exoplanetas. Espera-se que a grande maioria deles seja confirmada como planetas, tornando Kepler, de longe, o instrumento de impacto mais bem sucedido do planeta até o momento.

Kepler opera apontando seu fotômetro continuamente em um único campo de estrelas de cerca de 145.000 estrelas diferentes. As chances de qualquer uma dessas estrelas passar por um trânsito é muito pequena. Mas devido ao enorme número de estrelas que estão sendo rastreadas, milhares de trânsitos ocorrem. Graças à sensibilidade excepcional de Kepler. Centenas de planetas detectados até o final de 2012 são de diâmetro tipo a da terra e dezenas estão na zona habitável.

Kepler segue a Terra ao redor do Sol, completando uma órbita por ano durante pelo menos quatro anos. Esse intervalo de tempo permite que Kepler rastreie pelo menos quatro trânsitos de planetas orbitando em distâncias parecidas com a Terra de suas estrelas – o suficiente para verificar sua presença.

Defeito em seu sistema

A sonda Kepler não opera mais em sua função primária, devido a um defeito no sistema giroscópico. Os primeiros resultados principais foram anunciados em 4 de janeiro de 2010. Estudos realizados na Terra sobre os dados das primeiras seis semanas, revelam cinco planetas antes desconhecidos. Todos bem próximos de suas estrelas, um do tamanho próximo ao de Netuno e quatro do tamanho de Júpiter. Um deles, Kepler-7b é o planeta menos denso descoberto até agora.

Tendo tido defeitos no seu sistema giroscópico desde maio de 2013 sem solução. Em 15 de agosto de 2013 a NASA anunciou que desistiu de tentar consertar as duas rodas de equilibro que falharam. Onde mantinham a “mira’ e alinhamento de observação do telescópio. Isto significa que a missão atual precisa ser modificada, mas não significa necessariamente o fim do caçador de planetas. A NASA pediu à comunidade para propor planos de missões alternativas potencialmente incluindo pesquisas que permitam buscas de exoplanetas, usando as últimas duas rodas ainda boas de reação e propulsão. Em 18 de novembro de 2013, foi criada a K2 (também chamada “Second Light”). Uma proposta de plano que pode incluir a utilização do Kepler mesmo com deficiência. De alguma forma que ainda poderia detectar planetas habitáveis em torno de uma menor dimensão, de estrelas anãs vermelhas.

Missões conjuntas

A CoRoT (Rotação por Convecção e Trânsito Planetário) é uma missão espacial conjunta da Agência Espacial Francesa (CNES) e da Agência Espacial Européia (ESA). Lançada em dezembro de 2006, com o objetivo de detectar exoplanetas em trânsito. A missão já fez várias descobertas, incluindo um planeta rochoso, apenas duas vezes o diâmetro da Terra, anunciado em fevereiro de 2009. Os cientistas esperam que planetas terrestres de baixa massa tão pequenos como a Terra possam ser encontrados no futuro.

A maioria das buscas de fotometria, no entanto, são baseadas na Terra e fazem uso de telescópios existentes combinados com fotômetros de última geração com a mais alta sensibilidade. Um deles, baseado no Planetary Science Institute (PSI) no Arizona.

Em consórcio com três outras instituições, a PSI está reformando o telescópio de 50 polegadas no Kitt Peak e transformando-o em um RCT – um telescópio de controle remoto. Uma vez concluída, a equipe PSI poderá usar o telescópio por grandes períodos de tempo em sua busca fotométrica de planetas extra-solares.

Fotometria e astrônomos amadores

Embora a descoberta de um novo planeta com fotometria requer o equipamento profissional mais avançado (ou uma quantidade excessiva de sorte). Observar o trânsito de um planeta conhecido é muito mais fácil. Isso ocorre porque se alguém sabe onde procurar e quando, o efeito do trânsito em si pode ser bastante substancial e facilmente detectável. De fato, um trânsito conhecido geralmente pode ser observado por amadores usando equipamentos comercialmente disponíveis.

Em maio de 2001, por exemplo, milhares de astrônomos amadores em todo o mundo transformaram seus telescópios em direção a uma anã vermelha próxima conhecida como Gliese 876. Esta estrela era conhecida por ser orbitada por dois planetas, ambos descobertos usando o método espectroscópico. Uma vez que a estrela é pequena, e os planetas orbitando é grande, o trânsito do maior dos dois atenuou substancialmente a estrela. Isso possibilitou aos amadores de todo o mundo observar os sinais reveladores da presença de um planeta extra-solar.

Descobertas do Kepler

Em 11 de janeiro de 2011 os cientistas da NASA confirmaram a descoberta do primeiro planeta rochoso, chamado Kepler-10b. Medindo 1,4 vez o tamanho da Terra, é o menor planeta já descoberto fora do sistema solar.A descoberta desse chamado exoplaneta é baseada em mais de oito meses de dados. Coletados pelo observatório de maio de 2009 e início de janeiro de 2010.

Em 2 de fevereiro de 2011 cientistas da NASA anunciaram a descoberta da estrela batizada de Kepler-11, a 2 000 anos-luz da Terra, que é bem parecida com o Sol. São seis planetas identificados até agora ao redor da Kepler-11, variando entre 2,3 e 13,5 vezes a massa da Terra.

Em 23 de julho de 2015 cientistas da NASA anunciaram a descoberta do planeta mais parecido com a Terra batizado de Kepler 452b. Ele é muito parecido à Terra, porém é maior. Tem cerca de 5 vezes a massa da Terra e o seu equador é maior em cerca de 60%.

Outros possíveis usos futuros incluiriam a procura de asteroides e cometas, procurando evidências de supernovas. Além de encontrar enormes exoplanetas através de micro lente gravitacional.

Créditos: Sociedade Planetária