A missão ARIEL da ESA estudará as atmosferas de mais de 1.000 exoplanetas

A missão ARIEL da ESA estudará as atmosferas de mais de 1.000 exoplanetas

31 de janeiro de 2022 0 Por Jonas Estefanski
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Encontramos nossos primeiros exoplanetas orbitando um pulsar em 1992. Desde então, descobrimos muitos milhares mais. Esses foram os primeiros passos na identificação de outros mundos que poderiam abrigar vida.

Agora, os cientistas planetários querem dar o próximo passo: estudar as atmosferas dos exoplanetas.

A missão ARIEL da ESA será uma ferramenta poderosa.

ARIEL significa Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey. Faz parte do Programa de Visão Cósmica da Agência Espacial Europeia . O objetivo da ARIEL é examinar as atmosferas de cerca de 1.000 exoplanetas previamente confirmados. Estudará a composição química e as estruturas térmicas das atmosferas.

A ARIEL ainda está na fase de estudo do projeto e sua data de lançamento provisória não é até 2028. Os planejadores da missão ainda estão trabalhando em alguns detalhes críticos da missão. Um desses detalhes inclui agendamento automático, e um novo artigo analisa essas técnicas e como a missão pode funcionar.

O artigo é “ Planejamento da missão Ariel: Agendando o levantamento de mil exoplanetas. ” O autor principal é Juan Carlos Morales, pesquisador do Institut de Ci`encies de l’Espai em Barcelona, ​​Espanha. O artigo está disponível no site de pré-impressão arxiv.org.

A NASA projetou missões como Kepler e TESS para encontrar exoplanetas, que tiveram sucesso. Mas a missão da ARIEL é dedicada ao estudo de exoplanetas. Ele passará seu tempo olhando exoplanetas conhecidos em vez de escanear o céu em busca de mais.

ARIEL abordará várias questões na ciência dos exoplanetas. Ele explorará a composição de exoplanetas, a formação e evolução de sistemas planetários e os processos físicos que moldam as atmosferas dos exoplanetas.

Estamos acostumados a pensar em exoplanetas em relação aos planetas do nosso próprio Sistema Solar.  Mas as composições dos exoplanetas podem variar muito.  ARIEL nos ajudará a entendê-los melhor.  A ilustração deste artista mostra a estrutura interna teórica do exoplaneta GJ 3470 b.  É diferente de qualquer planeta encontrado no Sistema Solar.  Pesando 12,6 massas terrestres, o planeta é mais massivo que a Terra, mas menos massivo que Netuno.  Ao contrário de Netuno, que fica a 3 bilhões de milhas do Sol, GJ 3470 b pode ter se formado muito perto de sua estrela anã vermelha como um objeto seco e rochoso.  Em seguida, ele puxou gravitacionalmente hidrogênio e gás hélio de um disco circunstelar para construir uma atmosfera espessa.  O disco se dissipou há muitos bilhões de anos e o planeta parou de crescer.  A ilustração inferior mostra o disco como o sistema pode ter parecido há muito tempo.  Observações feitas pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA analisaram quimicamente a composição da atmosfera muito clara e profunda de GJ 3470 b, fornecendo pistas sobre a origem do planeta.  Muitos planetas desta massa existem em nossa galáxia.  Crédito da imagem: NASA.
Estamos acostumados a pensar em exoplanetas em relação aos planetas do nosso próprio Sistema Solar. Mas as composições dos exoplanetas podem variar muito. ARIEL nos ajudará a entendê-los melhor. A ilustração deste artista mostra a estrutura interna teórica do exoplaneta GJ 3470 b. É diferente de qualquer planeta encontrado no Sistema Solar. Pesando 12,6 massas terrestres, o planeta é mais massivo que a Terra, mas menos massivo que Netuno. Ao contrário de Netuno, que fica a 3 bilhões de milhas do Sol, GJ 3470 b pode ter se formado muito perto de sua estrela anã vermelha como um objeto seco e rochoso. Em seguida, ele puxou gravitacionalmente hidrogênio e gás hélio de um disco circunstelar para construir uma atmosfera espessa. O disco se dissipou há muitos bilhões de anos e o planeta parou de crescer. A ilustração inferior mostra o disco como o sistema pode ter parecido há muito tempo. Observações feitas pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA analisaram quimicamente a composição da atmosfera muito clara e profunda de GJ 3470 b, fornecendo pistas sobre a origem do planeta. Muitos planetas desta massa existem em nossa galáxia. Crédito da imagem: NASA.

O conhecimento detalhado das atmosferas dos exoplanetas diz aos cientistas como e onde eles se formaram. Os planetas se formam em discos protoplanetários, os discos de poeira e gás que cercam estrelas jovens. Quando os cientistas conhecem a composição química de uma atmosfera e sua estrutura térmica, eles entendem melhor onde no disco um planeta se formou e com que rapidez.

Os resultados científicos do ARIEL também podem abordar outras questões. Uma dessas questões é como a vida começou na Terra.

A Terra se formou da mesma forma que os exoplanetas: a partir de um disco protoplanetário. Mas a evidência para o início da vida está muito longe do registro geológico da Terra. Observar exoplanetas terrestres pode ajudar a responder à questão das origens da vida. Se ARIEL puder nos mostrar como os ambientes físicos e químicos em planetas semelhantes à Terra evoluíram, podemos ter um vislumbre de fato da Terra primitiva, quando a vida começou.

Mas para conseguir isso, ARIEL tem que usar seu tempo com sabedoria. É isso que este novo artigo explora.

“As técnicas de agendamento automático estão se tornando uma ferramenta crucial para o planejamento eficiente de grandes pesquisas astronômicas”, diz o artigo.

Missões anteriores como Kepler e TESS eram pesquisas. Eles examinaram uma área predeterminada do céu, procurando por sinais de trânsito. Mas ARIEL é diferente. Ele não observará uma área predeterminada do céu, mas uma lista predeterminada de alvos existentes. Como os projetistas da missão já sabem onde estão esses alvos, quando transitarão na frente de suas estrelas e quando ocultarão atrás delas, a missão pode ser programada com mais precisão e eficiência. Mas também impõe algumas restrições rigorosas ao planejamento, já que a missão não é baseada em observações passivas.

Este gráfico mostra a diferença entre trânsitos e ocultações usando o exoplaneta WASP-189 b como exemplo.  Quando um planeta passa na frente de sua estrela, visto da Terra, a estrela parece mais fraca por um curto período de tempo.  Esse fenômeno é chamado de trânsito.  Quando o planeta passa atrás da estrela, a luz emitida e/ou refletida pelo planeta é obscurecida pela estrela por um curto período de tempo.  Esse fenômeno é chamado de ocultação.  Crédito: © ESA
Este gráfico mostra a diferença entre trânsitos e ocultações usando o exoplaneta WASP-189 b como exemplo. Quando um planeta passa na frente de sua estrela, visto da Terra, a estrela parece mais fraca por um curto período de tempo. Esse fenômeno é chamado de trânsito. Quando o planeta passa atrás da estrela, a luz emitida e/ou refletida pelo planeta é obscurecida pela estrela por um curto período de tempo. Esse fenômeno é chamado de ocultação. Crédito: © ESA

A ESA está projetando a missão ARIEL para durar quatro anos. “Concluímos que Ariel será capaz de cumprir os objetivos científicos, ou seja, caracterizar ~1.000 atmosferas de exoplanetas, com um tempo total de exposição representando cerca de 75-80% do tempo de vida da missão”, escrevem os autores.

ARIEL também observará alguns exoplanetas durante suas órbitas completas. Ele verá seus espectros variarem à medida que os planetas orbitam suas estrelas. Elas são chamadas de curvas de fase e podem fornecer uma imagem mais detalhada da atmosfera de um exoplaneta do que trânsitos e ocultações.

As mudanças na luz das estrelas refletidas por um planeta à medida que orbita sua estrela fornecem informações sobre os processos físicos que impulsionam o transporte de calor do lado do dia quente para o lado da noite mais frio. A análise das curvas de fase também revela detalhes da atmosfera do planeta, incluindo a presença de nuvens e possivelmente até indícios da composição das nuvens. Crédito da imagem: ESA

Mas ARIEL deve equilibrar mais do que trânsitos, ocultações e curvas de fase. Outras operações como manutenção da órbita da espaçonave e observações auxiliares também fazem parte da equação de agendamento. Os instrumentos da ARIEL precisam de recalibração periódica observando estrelas brilhantes do tipo G. A calibração pode levar até 300 horas por ano, cerca de 3% da missão. As operações de manutenção da estação levarão cerca de quatro horas por mês ou 50 horas por ano. Isso soma aproximadamente 0,6% da missão.

Todos esses fatores colocam limitações no agendamento. Em seu artigo, os autores discutem heurísticas, algoritmos e tópicos relacionados além do escopo deste artigo. Seu método de agendamento envolve uma combinação de Computação Evolutiva, Algoritmos Genéticos, Algoritmos Evolutivos e um subconjunto de EC chamado inteligência SWARM. Os leitores interessados ​​podem pesquisar o artigo com mais detalhes.

O cerne da agenda de ARIEL é a lista de alvos. Neste novo artigo, os autores trabalham com um Cronograma de Referência de Missão (MRS), que é uma combinação de alvos de exoplanetas conhecidos e alvos ainda a serem encontrados pelo TESS. Eles dividiram os alvos em camadas com base no tipo de observações que desejam fazer com os alvos e quanto tempo de observação os alvos exigem. Por exemplo, alvos de nível um incluem todos os planetas no MRS em espectros de baixa resolução, e o nível dois é um subconjunto de ~600 planetas de todo o MRS em espectros de resolução média. O nível três é 50 dos exoplanetas mais interessantes que orbitam estrelas brilhantes que serão observados por mais tempo para obter espectros de resolução máxima.

Os destinos de nível 3 têm uma prioridade mais alta do que os destinos de nível 2, que têm uma prioridade mais alta do que os destinos de nível 1. É fácil ver como o agendamento pode ser complicado e por que os designers da missão usam IA e métodos relacionados para garantir a maioria dos resultados científicos. Mas é ainda mais complicado, porque os projetistas da missão esperam poder completar outras observações fora da MRS.

Esta figura mostra as posições no céu dos alvos potenciais da ARIEL em três níveis.  Ter alvos espalhados por todo o céu é benéfico para o agendamento de observações.  Crédito: Edwards et al.  2019.
Esta figura mostra as posições no céu dos alvos potenciais da ARIEL em três níveis. Ter alvos espalhados por todo o céu é benéfico para o agendamento de observações. Crédito: Edwards et al. 2019.

Os planetas de nível 4 estão fora do MRS, mas são alvos científicos extremamente desejáveis. São sistemas de curto período e os cientistas querem que o ARIEL observe suas curvas de fase. Eles serão agendados se isso não afetar os objetivos científicos centrais da missão. Os autores identificaram 43 metas no nível 4 que são subdivididas em três níveis de prioridade.

Depois, há alvos de backup caso ARIEL não possa observar alguns dos planetas na MRS por várias razões. Existem 1093 exoplanetas de reserva.

Este artigo oferece uma visão interessante dos bastidores da programação de missões, algo que a maioria de nós provavelmente não gasta muito tempo pensando. Mas o agendamento preciso e eficaz é fundamental para o sucesso de uma missão. As simulações da equipe mostram que a missão ARIEL pode ser programada com eficiência suficiente para cumprir quase todas as suas metas científicas, podendo até superá-las. Como toda missão, pode haver problemas, atrasos e dificuldades inesperadas.

“A principal conclusão das diferentes simulações do planejamento da missão Ariel é que quase todos os alvos na amostra principal podem ser observados conforme solicitado, atendendo a todos os requisitos e restrições da missão e do sistema”, escreve a equipe. “Apenas alvos que são observáveis ​​poucas vezes são desafiadores, e o agendador pode ser usado para identificá-los facilmente.”

A equipe ressalta que alguns intervalos de tempo inativos são inevitáveis ​​devido à complexidade do agendamento e às restrições de missão rígidas e flexíveis. Mas mesmo assim, esses intervalos de tempo ainda podem ser maximizados pela re-observação de alguns alvos para obter dados mais detalhados. “Na verdade, escolhendo sabiamente os alvos a serem observados novamente, é possível aumentar o número de alvos bem caracterizados na subamostra de nível 3 por um fator de 2,5, ou pesquisar vários outros planetas semelhantes a Netuno e Terra considerados como alvos alternativos”.

Esta é a ilustração de um artista do exoplaneta LHS1140 c, que está a cerca de 50 anos-luz de distância.  É um mundo potencialmente rochoso que é maior que a Terra.  Os cientistas não acham que seja potencialmente habitável, mas é um alvo interessante por causa de sua composição e sua atmosfera densa.  Ele orbita uma estrela do tipo M (anã vermelha) que é mais fria e mais escura que o nosso Sol.  Crédito da imagem: NASA
Esta é a ilustração de um artista do exoplaneta LHS1140 c, que está a cerca de 50 anos-luz de distância. É um mundo potencialmente rochoso que é maior que a Terra. Os cientistas não acham que seja potencialmente habitável, mas é um alvo interessante por causa de sua composição e sua atmosfera densa. Ele orbita uma estrela do tipo M (anã vermelha) que é mais fria e mais escura que o nosso Sol. Crédito da imagem: NASA

A ARIEL levará a ciência dos exoplanetas um passo além do que está agora. Em uma entrevista de 2021 com a Innovation News Network, a cientista do projeto ARIEL, Theresa Lueftinger, falou sobre algumas das expectativas para a missão ARIEL e a ciência dos exoplanetas em geral. “Tenho certeza de que encontraremos coisas que não esperávamos ou nem imaginávamos antes”, disse Lueftinger. “Isso acontece na ciência regularmente, especialmente na ciência de exoplanetas. Isso também é o que torna nossa vida, nossa profissão e esse campo da ciência tão emocionantes”.

ARIEL é apenas uma das três missões de exoplanetas da ESA. 
O CHEOPS (Characterising ExOPplanet Satellite) foi lançado em 2019 e está se concentrando em exoplanetas conhecidos que orbitam estrelas brilhantes próximas. 
Está observando planetas na faixa de tamanho da super-Terra a Netuno. 
Seu objetivo é fazer observações de alta precisão desses planetas para determinar sua densidade aparente.

PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars) será lançado em 2026 e procurará até um milhão de estrelas por trânsitos de exoplanetas. 
O objetivo do PLATO é descobrir exoplanetas rochosos em torno de estrelas como o nosso Sol e estrelas sub-gigantes e anãs vermelhas. 
A ênfase está em planetas semelhantes à Terra em torno da zona habitável de suas estrelas, onde a água líquida pode existir em suas superfícies.