Planejando o Observatório do Mundo Habitável da NASA em andamento No início de agosto, cientistas e engenheiros se reuniram em um pequeno auditório no Caltech para discutir a construção do primeiro telescópio espacial capaz de detectar vida em planetas semelhantes à Terra. O conceito de missão proposto, denominado Observatório do Mundo Habitável (HWO), seria um poderoso observatório astrofísico seguindo o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA.
Esta técnica é usada para obscurecer a luz das estrelas para revelar a presença de planetas orbitando a estrela.
Terá a capacidade de estudar estrelas, galáxias e uma série de outros objetos cósmicos, incluindo planetas fora do nosso sistema solar, conhecidos como exoplanetas. Embora descobrir vida em exoplanetas possa ser um objetivo distante, o objetivo do workshop do Caltech era avaliar o nível de tecnologia que o BGI precisaria para procurar vida em outros lugares.
"Precisamos desenvolver tecnologias-chave tanto quanto possível antes de projetar uma missão", disse Dimitri Mawet, membro do HWO Technology Assessment Group (TAG), professor de astronomia David Morrisroe e cientista pesquisador sênior do Jet Propulsion Laboratory (JPL), que é administrado pelo Caltech para a NASA. Estamos na fase de maturidade tecnológica. A ideia é avançar ainda mais nas tecnologias que permitirão que um Observatório do Mundo Habitável forneça resultados científicos revolucionários, minimizando ao mesmo tempo o risco de custos excessivos."
Uma impressão artística do exoplaneta rochoso Kepler-186f, um dos candidatos mais promissores para se tornar um planeta potencialmente habitável, mas quão semelhante ou diferente seria da Terra para sustentar vida? Crédito da imagem: NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.
O HWO será lançado no final da década de 1930 ou início de 2040 como parte da Pesquisa Decadal de Astronomia e Astrofísica de 2020 da Academia Nacional de Ciências (Astro2020). O tempo de observação da missão será dividido entre astrofísica geral e pesquisa de exoplanetas.
"A Pesquisa do Décimo Aniversário recomenda esta missão como uma prioridade máxima devido às capacidades transformadoras que trará para a astrofísica, ao mesmo tempo que compreenderá todo o sistema solar além do nosso", disse Fiona Harrison, Professora de Física Harold A. Rosen da Caltech e Presidente de Liderança Kent e Joyce Cresa na Divisão de Física, Matemática e Astronomia e uma das duas co-presidentes do Relatório do Décimo Aniversário Astro2020.
Progresso tecnológico e desafios
A capacidade dos telescópios espaciais de caracterizar as atmosferas dos exoplanetas e, assim, procurar possíveis sinais de vida depende de uma tecnologia que bloqueie o brilho de estrelas distantes. Existem duas maneiras principais de bloquear a luz das estrelas: uma é um pequeno defletor dentro do telescópio, chamado coronógrafo; o outro é um grande defletor na parte externa do telescópio, chamado starshade. No espaço, o escudo estelar se expande em uma estrutura gigante em forma de girassol, como mostrado abaixo.
A animação mostra um protótipo de escudo estelar, uma estrutura gigante projetada para bloquear o brilho de uma estrela para que futuros telescópios espaciais possam tirar fotos de planetas. Fonte: NASA
Em ambos os casos, a luz da estrela é bloqueada, permitindo que a fraca luz estelar reflectida nos planetas próximos apareça. O processo é semelhante a bloquear o sol com a mão ao fotografar um amigo sorridente. Ao capturar diretamente a luz do planeta, os investigadores podem usar outros instrumentos chamados espectrómetros para examinar essas luzes, procurando assinaturas químicas. Se houver alguma vida em planetas orbitando estrelas distantes, a inspiração e expiração coletiva dessa vida poderá ser detectável na forma de bioassinaturas.
“Estimamos que existam milhares de milhões de planetas do tamanho da Terra apenas na zona habitável da nossa galáxia”, disse Nick Siegler, tecnólogo-chefe do programa de exploração de exoplanetas da NASA no JPL. "A zona habitável é a área em torno de uma estrela onde as temperaturas são adequadas para água líquida." Regiões de crescimento. Queremos sondar as atmosferas destes exoplanetas, à procura de oxigénio, metano, vapor de água e outros produtos químicos que possam indicar a presença de vida. Em vez de procurar homenzinhos verdes, queremos ver assinaturas espectrais desses produtos químicos essenciais, que chamamos de bioassinaturas."
De acordo com Siegler, a NASA decidiu se concentrar na rota coronográfica do conceito HWO, que se baseia em investimentos recentes no Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que usará coronógrafos avançados para obter imagens de exoplanetas gigantes gasosos. (O IPAC da Caltech abriga o Centro de Apoio à Ciência Romana). Hoje, os coronógrafos são usados em vários outros telescópios, incluindo o JWST em órbita, o Hubble e observatórios terrestres.
Sara Seager, do MIT, deu uma palestra no Simpósio Caltech intitulada "Supressão da luz estelar para um observatório mundial habitável". Fonte: Caltech
Inovação e perspectivas futuras
Mavitt desenvolveu o coronógrafo, instrumento usado no W.M. Observatório Keck no topo de Mauna Kea, na Grande Ilha do Havaí. A versão mais recente do coronógrafo, conhecido como coronógrafo de vórtice, foi inventado por Mavitt e alojado no Keck Planetary Imaging and Characterization Instrument (KPIC), que permite aos pesquisadores obter imagens e estudar diretamente a radiação térmica de exoplanetas gigantes gasosos jovens e quentes. Um coronógrafo cancela a luz da estrela, permitindo tirar fotos de planetas que são um milhão de vezes mais escuros que a estrela. Isto permite aos investigadores descrever em detalhe as atmosferas, órbitas e características rotacionais de exoplanetas gigantes gasosos jovens, ajudando a responder a questões sobre a formação e evolução de outros sistemas solares.
Mas imaginar diretamente um planeta Terra Gémea - o planeta onde a vida como a conhecemos tem maior probabilidade de prosperar - exigiria melhorias massivas na tecnologia existente. Planetas como a Terra orbitando estrelas semelhantes ao Sol na zona habitável são facilmente obscurecidos pelo brilho da estrela. Por exemplo, o nosso Sol é 10 mil milhões de vezes mais poderoso que a Terra. Para atingir este nível de supressão da luz estelar num coronógrafo, os investigadores tiveram que levar a sua tecnologia ao extremo. “À medida que nos aproximamos dos níveis exigidos de supressão da luz estelar, o desafio aumenta exponencialmente”, disse Marvitt.
Através da explicação do Dr. Nick Siegler, gerente técnico do programa de exploração de exoplanetas da NASA, ele apresentou em detalhes o princípio de funcionamento do coronógrafo e como ele pode ajudar a criar imagens diretas de exoplanetas. Fonte: NASA
Os participantes do workshop da Caltech discutiram a tecnologia coronográfica, que envolve o controle de ondas de luz com lentes deformáveis ultraprecisas dentro do instrumento (veja o vídeo acima). Embora um coronógrafo bloqueie a maior parte da luz de uma estrela, a luz dispersa ainda chega à imagem final, aparecendo como manchas. Usando milhares de varetas para empurrar e puxar a superfície reflexiva do espelho deformável, os pesquisadores conseguiram eliminar os pontos residuais da luz estelar.
O próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman será o primeiro a usar este tipo de coronógrafo, que é chamado de tipo “ativo” porque seus espelhos se deformam ativamente. Depois de mais testes no JPL, o coronógrafo romano será eventualmente integrado no telescópio final do Goddard Space Flight Center da NASA e lançado no espaço o mais tardar em 2027. O coronógrafo romano permitirá aos astrónomos obter imagens de exoplanetas que são mil milhões de vezes mais escuros do que as suas estrelas. Isto inclui gigantes gasosos maduros e jovens, bem como discos de detritos que sobraram da formação planetária.
Vanessa Bailey, especialista técnica em coronógrafo romano do JPL, disse: "O coronógrafo romano é o próximo passo da NASA na busca por vida fora do sistema solar. A lacuna de desempenho entre os telescópios atuais e os observatórios mundiais habitáveis é muito grande para ser superada de uma só vez. O objetivo do coronógrafo romano é ser um trampolim no meio. Ele demonstrará várias tecnologias necessárias, incluindo máscaras coronográficas e espelhos deformáveis, em um nível de desempenho que nunca foi alcançado fora do laboratório."
Pretender obter imagens diretas do gêmeo da Terra em torno de uma estrela semelhante ao Sol significa levar ainda mais longe a tecnologia por trás do coronógrafo de Roman. “Precisamos ser capazes de deformar os espelhos até o nível do picômetro”, explica Marvitt. "Precisamos suprimir a luz das estrelas cerca de 100 vezes mais do que o coronógrafo romano. Este workshop ajuda-nos a descobrir onde estão as nossas lacunas tecnológicas e onde precisamos de mais desenvolvimento na próxima década."
Outros tópicos discutidos no workshop incluíram os melhores tipos de espelhos primários para uso com coronógrafos, revestimentos de espelhos, tratamento de danos aos espelhos causados por micrometeoróides, tecnologia de espelhos deformáveis e detectores e ferramentas avançadas para modelagem e design integrados. Os engenheiros também forneceram uma atualização sobre o escudo estelar e seu status de prontidão técnica.
Descobrindo o caminho para os gêmeos da Terra
Ao mesmo tempo, à medida que a tecnologia continua a avançar, outros cientistas também estão a voltar a sua atenção para as estrelas, à procura de planetas semelhantes à Terra que o HWO possa visualizar. Até à data, foram descobertos mais de 5.500 exoplanetas, mas nenhum deles é verdadeiramente semelhante à Terra. Ferramentas de caça a planetas, como a nova Keck Planet Probe (KPF) no Observatório Keck, liderado pelo Caltech, já são melhores na descoberta de planetas, procurando a atração que exercem sobre as estrelas à medida que as orbitam. Os planetas mais pesados exercem um puxão maior, assim como os planetas mais próximos das suas estrelas. O KPF foi projetado para encontrar planetas do tamanho da Terra nas zonas habitáveis de pequenas estrelas vermelhas, que estão mais próximas de suas estrelas. Nos próximos anos, o KPF continuará a melhorar e poderá ser capaz de detectar gêmeos da Terra.
Quando o HWO for lançado, no final da década de 1930 ou início da década de 1940, os cientistas esperam ter um catálogo de pelo menos 25 planetas semelhantes à Terra para explorar.
Apesar do longo caminho pela frente, os cientistas presentes no simpósio estavam ansiosos para discutir esses desafios com colegas de todo o país que viajaram para Pasadena. A Diretora do JPL, Laurie Leshin (M.A. '89, Ph.D. '95) fez um discurso inspirador no início da reunião. "Este é um desafio emocionante e difícil. Mas é exatamente isso que pretendemos. Não estamos lutando sozinhos. Precisamos trabalhar juntos", disse ela.