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Os cientistas estão recriando o ar (atmosferas sintéticas) que se agarra a mundos distantes. Seu trabalho poderia ajudar a revelar a presença de vida extraterrestre?

Como você identifica um alienígena? Alguns cientistas estão procurando sinais de comunicação enviados para o espaço. Outros propõem a busca por quedas na luz das estrelas que podem ser causadas por enormes megaestruturas construídas por alienígenas orbitando um sol distante.

Mas talvez a linha de investigação mais promissora resida em sondar a camada de gases que cerca os mundos alienígenas. Se fôssemos observar a Terra de longe, seríamos capazes de inferir nossa existência analisando a composição de nossa atmosfera. Há apenas um processo que conhecemos que poderia mantê-lo tão rico em oxigênio: a vida.

Se os alienígenas vivessem em outros mundos, provavelmente também imprimiriam uma assinatura de sua existência em sua atmosfera. Embora possamos observar atmosferas alienígenas através dos mais recentes telescópios espaciais, há um problema: não sabemos realmente o que estamos procurando. Temos apenas a Terra como comparação – mas e se houver outras combinações de gases que podem revelar a presença de vida?

A resposta a essa pergunta pode estar em novas pesquisas intrigantes que estão replicando o ar alienígena na Terra, preparando cervejas exóticas em laboratórios. Enquanto isso, outros cientistas estão simulando o clima e a circulação de atmosferas alienígenas dentro de poderosos supercomputadores para descobrir o quão hospitaleiros os mundos distantes podem ser. Esta pesquisa já está fornecendo algumas pistas tentadoras sobre onde a próxima geração de caçadores de alienígenas deve estar focando sua atenção.

Algo no ar

Desde a primeira detecção de um exoplaneta – um planeta em torno de outra estrela – em 1992, mais de 4.000 foram identificados , principalmente pela observação do escurecimento sutil, mas regular da luz das estrelas à medida que o planeta passa por sua estrela-mãe e bloqueia parte de sua luz (um transito). Mais da metade dos exoplanetas foram detectados dessa forma pelo telescópio espacial Kepler da NASA (ativo de 2009 a outubro de 2018). Em abril de 2018, a NASA lançou um sucessor do Kepler: o Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Para estudar a atmosfera de um exoplaneta, os astrônomos observam como a atmosfera absorve a luz das estrelas que passa por ela. Diferentes moléculas de gás irão absorver diferentes comprimentos de onda de luz, então os pesquisadores podem analisar o espectro de luz filtrada da estrela durante um trânsito para determinar quais gases estão presentes. Desta forma, os astrônomos fizeram a primeira detecção direta e análise química de uma atmosfera de exoplaneta em 2001 – encontrando sódio na atmosfera de um gigante gasoso conhecido como HD 209458 b.

Desde então, vários exoplanetas tiveram suas atmosferas analisadas, revelando a presença de vapor d’água, metano, dióxido de carbono e até mesmo pequenas quantidades de oxigênio ao redor de alguns desses mundos. Nenhum desses gases por si só sinaliza vida – nem mesmo o oxigênio, pois sabemos de processos que podem criar pequenas quantidades dele sem envolver organismos vivos.

É aqui que entra o trabalho da cientista planetária Dra. Sarah Hörst. Na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, EUA, ela lidera uma equipe de cientistas que estão preparando simulações de laboratório dos gases que provavelmente estão em atmosferas de exoplanetas, a fim de descobrir o que eles podem produzir. Até agora, o trabalho de Hörst se concentrou em um fenômeno atmosférico que será familiar para quem já passou um tempo em uma cidade grande: a névoa.

Cozinhando com gás

Os dois tipos mais comuns de exoplaneta não têm equivalente em nosso próprio Sistema Solar. Uma é a ‘ super-Terra ‘: rochosa, com um diâmetro de 1,25 a duas vezes o da Terra. O outro é o ‘mini-Netuno’: cerca de duas a quatro vezes o tamanho do nosso planeta, com uma espessa manta de gases (principalmente hidrogênio e hélio) sobre um núcleo denso de rocha ou gelo.

Os astrônomos descobriram que as atmosferas das super-Terras e mini-Neptunes são bastante densas e enevoadas: a luz não passa por elas facilmente. Isso pode ser porque eles estão cheios de nuvens (talvez feitas de gotículas condensadas de vapor de água ou outros gases como o metano), ou pode ser devido à neblina: partículas sólidas minúsculas semelhantes a poeira, como a mortalha sobre as cidades causada por fumaça de tráfego.

Hörst está tentando descobrir. Ela diz que pode haver ramificações para saber se planetas como este poderiam suportar vida. De acordo com Hörst, as partículas de neblina em uma atmosfera podem ter um grande impacto em como a luz das estrelas se move através dela. “Isso pode afetar coisas como a quantidade e o tipo de energia disponível na superfície de um planeta para a vida e a temperatura da superfície”, diz ela.

Temos apenas as informações mais resumidas sobre a química dessas atmosferas, então Hörst realiza simulações para uma ampla gama de composições possíveis, incluindo todos os gases comuns que podem ser encontrados em mundos como estes: vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio , hidrogênio, hélio e metano. Hörst mistura diferentes proporções desses gases em temperaturas entre cerca de 25 ° C e 325 ° C, imitando as condições que se pensa que existem nas super-Terras e mini-Neptunes.

É uma espécie de culinária cósmica: misture os ingredientes, asse em fogo moderado e veja o que sai. Há outro ingrediente crucial também: energia para iniciar reações químicas quebrando as moléculas. Em exoplanetas, isso poderia vir de raios ultravioleta de alta energia na luz das estrelas, ou de partículas eletricamente carregadas formadas por raios cósmicos inundando as regiões superiores da atmosfera. Os pesquisadores simulam essas fontes de energia usando uma lâmpada ultravioleta ou uma descarga elétrica como a de um tubo de luz fluorescente.

A maioria das misturas que Hörst e sua equipe estudaram geraram uma névoa acastanhada, semelhante à fumaça, semelhante ao que vemos na lua de Saturno, Titã. A quantidade de névoa variou amplamente, entretanto, dependendo da composição da mistura. Por exemplo, dois dos experimentos com bastante vapor d’água e metano produziram mais neblina, mas um terceiro experimento também gerou partículas finas sem metano presente.

Mais trabalho é necessário para descobrir o que a detecção de neblina em um exoplaneta distante significaria para a probabilidade de encontrar vida. Hörst diz que em alguns casos a neblina pode bloquear a radiação prejudicial (como a camada de ozônio faz na Terra), mas também pode levar ao resfriamento da superfície e à falta de água líquida. “Precisamos saber mais sobre o planeta e sua atmosfera para entender como podem ser as condições na superfície e quais processos teriam levado à formação de névoa”, diz ela.

Nesse ínterim, o Santo Graal desta área de pesquisa é identificar alguma molécula – ou um conjunto de moléculas – que pode existir apenas se houver vida, ou seja, uma ‘bioassinatura’ de vida alienígena. Mas o que pode ser isso?

A resposta não parece ser apenas oxigênio. Hörst e seus colegas viram o oxigênio se formar em seus experimentos de simulação, puramente a partir de reações químicas induzidas pela luz ultravioleta. Eles também viram moléculas orgânicas como etanol e formaldeído, o que também as exclui como bioassinaturas definitivas.

Uma possível bioassinatura é a existência simultânea de ozônio e metano, diz Hörst. Esta é uma mistura quimicamente instável de gases e não há nenhum processo geológico conhecido que possa sustentá-los. “Seria muito difícil tê-los juntos na mesma atmosfera sem que alguma fonte os substituísse”, diz Hörst. Na Terra, a biosfera é, em última análise, a fonte desses dois gases em nossa atmosfera.

Alguns dos mundos mais atraentes para procurar bioassinaturas como essas, Hörst sente, são o conjunto de planetas detectados em 2015 em torno de uma estrela fraca chamada TRAPPIST-1 , localizada a 40 anos-luz de distância na constelação de Aquário. Sete dos mundos que orbitam esta estrela são vagamente semelhantes à Terra, e a maioria deles são potencialmente habitáveis, tendo as condições certas para água líquida em suas superfícies. Ao olhar para a luz transmitida através de suas atmosferas, Hörst e seus colegas de trabalho descobriram que alguns deles podem ter nuvens ou neblina, embora seja difícil ser mais preciso neste estágio sobre qual opção é mais provável.

Hörst acredita que esses planetas intrigantes devem ser os primeiros alvos do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA , o planejado sucessor do Telescópio Espacial Hubble, que examinará mais de perto as atmosferas de exoplanetas assim que for lançado em 2021.

Ao estudar suas atmosferas, podemos confirmar se alguns dos planetas ao redor da estrela TRAPPIST-1 têm as condições certas para a existência de água líquida.

Exo-climas

A vida na Terra depende não apenas de ter o tipo certo de atmosfera, mas também de todo o sistema climático: como o ar, os oceanos e o calor circulam e como as nuvens se formam. Se encontrarmos um exoplaneta com uma composição atmosférica idêntica à da Terra, ele ainda pode ser inóspito para a vida se não tiver um sistema climático semelhante. Uma nova área de pesquisa chamada ‘exoclimatologia’ tem como objetivo entender os climas dos exoplanetas – e suas implicações para a vida – aplicando os modelos de computador usados ​​para simular o tempo e o clima da Terra em outros mundos.

Até agora, grande parte do trabalho se concentrou em outro tipo comum de exoplaneta: ‘Júpiteres quentes’ – gigantes gasosos como nosso próprio Júpiter, mas que orbitam muito mais perto de sua estrela-mãe. Eles tendem a girar muito lentamente ou a serem “travados de forma maré”, de modo que – como com a Lua orbitando a Terra – o mesmo lado sempre fica voltado para a estrela. Isso dá aos planetas uma diferença de temperatura entre o lado ‘diurno’ e o lado ‘noturno’ que impulsiona a circulação atmosférica, assim como a diferença de temperatura entre o equador da Terra e os pólos alimenta nosso próprio clima.

Modelos de computador dessa circulação indicam que Júpiteres quentes têm uma espécie de jato atmosférico, diz o Dr. Nathan Mayne, que lidera o grupo de exoclimatologia da Universidade de Exeter. Isso pode misturar a química dos lados quente e frio da atmosfera, alterando a mistura de gases em alguns lugares e, portanto, a quantidade de luz das estrelas que é transmitida à superfície. Embora Júpiteres quentes provavelmente não abriguem vida, isso mostra como a circulação da atmosfera pode desempenhar um papel crucial nas condições da superfície de um planeta – com implicações importantes para sua habitabilidade.

Adicione água à equação e as coisas ficarão ainda mais interessantes. Alguns planetas potencialmente habitáveis, como o grupo TRAPPIST-1, também estão provavelmente presos a sua estrela. Se esses exoplanetas tiverem água líquida em sua superfície, a água do lado quente do dia irá evaporar, eventualmente condensando-se em chuva ou neve no lado da noite mais fria.

“A terra que cobre o lado diurno secaria rapidamente e a umidade seria transportada para o lado noturno”, diz Mayne. “Mas se há um oceano, a água pode circular de volta” – criando uma gigantesca correia transportadora de água entre os dois lados do planeta. Isso pode fazer a diferença entre um planeta estéril dividido em duas metades – cada uma muito extrema para a existência de vida – e um planeta onde a circulação da água cria um ambiente mais úmido e clemente.

Com a última geração de telescópios espaciais, não demorará muito para que possamos estudar as atmosferas de exoplanetas cada vez mais exóticos. “A combinação do TESS e do JWST deve nos fornecer muitos mundos atraentes para estudar”, diz Hörst. O trabalho de gente como ela e Mayne se tornará crucial para os astrônomos que desejam saber se os gases exoplanetas e os padrões climáticos que estão detectando são sintomas de um planeta estéril ou talvez – apenas talvez – indícios de vida.

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