Como caçadores de planetas vão encontrar a próxima Terra

Encontrar evidência de vida fora da Terra não é mais apenas um sonho", disse Natalie Batalha, uma astrônoma do centro de pesquisa Ames, da NASA. "É algo que podemos realizar - talvez não durante a minha vida, mas durante a da minha filha."

O sentimento de Batalha foi ecoado no último sábado por homens e mulheres que falaram na cerimônia de abertura do Instituto Carl Sagan na Universidade de Cornell. O instituto, ideia da astrônoma Lisa Kaltenegger, foi criado para explorar a diversidade de mundos que começamos a observar no horizonte cósmico. Se tivermos sorte, pode ser que encontremos um novo planeta como a Terra. Ou dezenas deles. Ou milhares.

"Como descobrir se um mundo que orbita outra estrela é um lugar habitável?", Kaltenegger pergunta. "Estamos vivendo a primeira vez na história que podemos ter as ferramentas para responder essa questão."

Encontrar uma Terra 2.0 não será fácil. O esforço para isso será enorme, mas astrônomos, cientistas planetários, químicos e biólogos no Instituo Carl Sagan já têm um plano para isso. Eis como eles tentarão encontrar o próximo pálido ponto azul e, assim, acabar com a nossa solidão cósmica.

É uma era maravilhosa para se estar vivo caso você se interesse em mundos além do nosso sistema solar. Ao longo das últimas duas décadas, a ciência exoplanetária passou por uma verdadeira revolução, e mesmo para quem é cético com a ideia de vida alienígena, as descobertas que fizemos são bastante impressionantes.

Preste atenção esses números: há vinte anos, astrônomos ainda não tinha confirmado a existência de nenhum planeta fora do nosso sistema solar. Nos últimos seis anos, a missão Kepler da NASA - um telescópio espacial que orbita nosso Sol e observa mais de 100 mil estrelas de uma vez - conseguiu descobrir mais de 4.100 candidatos a planetas e confirmou a existência de mais 1.000. O telescópio Kepler não está escaneando todo o céu. Em vez disso, ele monitora uma pequena parte da nossa galáxia, como se fosse uma espécie de censo cósmico. Com esse censo, os astrônomos usaram as estatísticas para extrapolar a distribuição de planetas ao longo da Via Láctea.

"Descobrimos que a maioria das estrelas têm planetas, e planetas com o tamanho da Terra são comuns, e uma boa parte deles está em zonas habitáveis da estrela", explicou Bill Borucki, líder da missão Kepler. "E quando você coloca esses números em perspectiva: 100 bilhões de estrelas, 10% com planetas do tamanho da Terra, 10% das estrelas têm Sol, isso dá um bilhão de planetas com o tamanho da Terra em zonas habitáveis de estrelas como o Sol."

Vou repetir a última parte. Talvez exista um bilhão de planetas do tamanho da Terra em zonas habitáveis de estrelas como o Sol. Há trinta anos os astrônomos não tinham certeza da existência de nenhum. E isso, claro, apenas dentro da nossa galáxia.

"Há bilhões de estrelas apenas na nossa galáxia, e bilhões de outras galáxias por aí," disse Kaltenneger. "Os números são, felizmente, favoráveis para nós."

A tecnologia por trás dessa descoberta incrível é a princípio bem simples. Muitos exoplanetas conhecidos atualmente foram detectados em trânsito - uma pequena olhada na luz emitida por uma estrela conforme um planeta cruza seu caminho na linha de visão de um telescópio. Na prática, no entanto, identificar as sombras desses planetas é incrivelmente difícil porque a breve mudança de luz das estrelas causada pelo trânsito é surpreendentemente minúscula.

"Pense que você está olhando para o maior arranha-céus de Nova York durante a noite", explicou Batalha. "Todas as janelas estão abertas e todas as luzes estão acesas. Uma pessoa passa e fecha um pouco a cortina em uma janela. Essa é a mudança na luz que você precisa identificar para encontrar um planeta com o tamanho da Terra."

Além disso, você precisa conseguir vê-lo ao menos duas vezes para ter certeza que não é coisa da sua cabeça.

Para a observação do trânsito funcionar, desenvolvemos dois fotômetros mil vezes mais precisos do que qualquer outros desenvolvidos anteriormente. Como Borucki explicou, esses sensores de luz precisam monitorar milhares de estrelas de uma vez, porque a chance de um planeta se alinhar com o caminho de uma estrela na linha de visão do telescópio é inferior a 1%. O fotômetro do telescópio também precisa ficar perfeitamente parado a todo momento - e não ancorado no chão, mas no espaço. É bem mais difícil fazer isso lá em cima.

E considerando quão ambiciosas são essas especificações - Borucki precisou de quase duas décadas para criar o design, um protótipo e então convencer a NASA a dar aval para o Kepler - tudo o que a análise do trânsito nos dá é o raio do planeta, período orbital, e, algumas vezes, sua massa. E, até agora, funciona apenas com mundos que possuem a distância orbital da Terra ou menos. O trânsito de planetas mais distantes é muito fraco para o fotômetro do Kepler detectar. Através da massa e do raio, conseguimos calcular a densidade planetária, o que nos diz se estamos olhando para algo rochoso como a Terra ou uma bola de gás como Júpiter.

Até agora, a galáxia se mostrou uma verdadeira caixinha de surpresas. Muitas estrelas contam com mundos enormes em órbitas mais próximas do que a de Mercúrio, uma situação que era considerada impossível há 30 anos. Os dois tipos mais comuns de planetas conhecidos pela humanidade no momento - chamados de "Super-Terras" e "Mini-Netunos" - não têm um representante no nosso sistema solar. Temos pistas de lugares incrivelmente bizarros espalhados por aí, como gigantes gasosos leves como isopor, mundos oceânicos e planetas de lava.

"Alguns planetas orbitam estrelas binárias, que tem não apenas um sol nascendo a leste e se pondo a oeste, e sim dois," explicou Batalha (olá, Tatooine!). "Encontramos planetas em clusters estelares, com 25 estrelas esmagadas em um único parsec cúbico de espaço. Nesses planetas, você olha para cima e encontra um céu enfeitado com jóias."

"Há uma diversidade incrível de mundos por aí, e nós ainda não arranhamos nem a superfície deles", explicou Kaltenegger.

Espalhados por esses mundos exóticos também encontramos alguns planetas "Goldilock" - mundos que não são quentes nem frios demais, são rochosos e orbitam estrelas como o nosso sol. Mundos que podem muito bem se tornar a próxima Terra.

“Esses planetas [potencialmente habitáveis] são relativamente comuns, e, com o uso de estatísticas, sabemos que provavelmente eles estão próximos”, explicou Batalha.

Ainda assim, para um mundo sair da categoria “potencialmente habitável” e de fato se tornar uma “nova Terra”, é preciso estudá-lo com muita calma. É exatamente isso o que pretendemos fazer com nossa nova geração de telescópios. Em missões futuras não apenas vamos observar o fluxo de luz em estrelas distantes, mas também as atmosferas desses planetas. Há anos-luz de distância, nossos telescópios vão analisar o ar de outros mundos.

E, quando isso acontecer, astrônomos do nosso mundo se tornarão caçadores de alienígenas.

Caçando Goldilocks

A Terra pode ser uma maravilha azul hoje em dia, mas nem sempre ela foi assim. Há quatro bilhões de anos, a superfície rochosa do nosso planeta estava em erupção com diversos vulcões. Ela também era bombardeada por cometas e asteroides, inundada por radiação ultra-violeta e não tinha praticamente nada de oxigênio.

Foi a vida que transformou a Terra - os primeiros colonizadores resistentes que, ao longo de um período de bilhões de anos, fizeram o deserto rochoso virar uma biosfera confortável e respirável. Antigas cianobactérias foram provavelmente as primeiras formas de vida a produzir uma quantidade significativa de oxigênio como um produto residual da fotossíntese. Hoje, nosso ar contém uma quantidade saudável de O2, que ainda é constantemente reabastecida pelas plantas e fitoplânctons do nosso planeta, assim como por uma fina camada de ozônio que nos protege de radiação ultravioleta ameaçadora. A atmosfera da Terra também contém vestígios de gases - como o CO2 e metano - reabastecidos por uma expiração coletiva do metabolismo da vida, e, recentemente, pela queima de combustíveis fósseis.

Isolados, oxigênio e metano não são sinais bons de desenvolvimento de vida - ambos podem ser produzidos por reações químicas inorgânicas. Mas junte esses dois, borrife um pouco de água e pronto, temos uma história completamente diferente.

“Nosso melhor sinal [de vida] é a combinação de oxigênio ou ozônio com um gás redutor – algo que faça o oxigênio ir embora,” explicou Kaltenegger. “Muitas coisas biológicas, como metano ou CO2 sozinhos, podem vir de rochas, só que não conseguimos usá-las. Mas se o oxigênio é encontrado junto com o metano, então alguma coisa deve estrar produzindo ele em grandes quantidades agora mesmo.”

Então nossos caçadores de alienígenas já sabem quais pistas seguir. Encontre esses ingredientes na atmosfera de um planeta Goldilock que orbite uma estrela como o Sol, e talvez tenhamos aí uma outra Terra. Agora como diabos fazemos para ir atrás disso tudo?

Faremos tudo a partir de todo um projeto já definido para missões espaciais futuras, que começa com o Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS), que será lançado em 2017. Enquanto a maioria dos alvos de Kepler estão a 500 ou 1000 anos luz de distância da Terra, o TESS vai buscar planetas na nossa vizinhança - ele vai varrer o céu inteiro monitorando mais de meio milhão de estrelas nas imediações cósmicas.

"O TESS será como o Kepler, observará o trânsito, mas, em vez de olhar para uma parte específica do céu, ele vai varrer o céu inteiro, com foco nos vizinhos mais próximas," me explicou Kaltenegger. "Ele permitirá que observemos muitos alvos em potencial que estão muito mais próximos do que os planetas do Kepler."

O TESS pode até encontrar uma série de candidatos, mas ele não vai estudar as atmosferas. Esse processo será feito com o telescópio espacial James Webb (JWST, na sigla em inglês), um observatório de 6,5 metros de largura alimentado por energia solar e que deve ser lançado em 2018. Com um poder de detecção nunca visto antes, o JWST será o principal observatório da próxima década. Seu poder vem em partes de um escudo solar que resfria os instrumentos do telescópio para temperaturas abaixo de -220 graus Celsius. A temperaturas tão baixas, o JWST vai emitir pouca radiação, permitindo a detecção de sinais de energia muito distantes - incluindo aquelas piscadas de luz emitidas por estrelas distantes quando elas são filtradas pela atmosfera de um planeta.

"Você pega o planeta, aquele pixel minúsculo, e você divide a luz", explicou Kaltenegger. "Você observa as cores diferentes - basicamente o que acontece quando a luz do sol passa por uma gota de chuva e forma um arco-íris - e se a energia estiver em falta, você pode determinar, mesmo há anos luz de distância, quais são as moléculas químicas que estão lá, no ar daquele mundo."

Mas, por mais impressionante que seja o JWST, esse telescópio não será potente o suficiente para estudarmos muitos planetas rochosos como a Terra. "Se", Kaltenegger diz, "encontrarmos uma Super-Terra rochosa ao redor de uma estrela anã vermelha, talvez tenhamos a chance de observar sua atmosfera). Os olhos do JWST estarão fixados em mundos maiores - e esses costumam ser grandes bolhas de ar.

"O JWST vai buscar Mini-Netunos e Super-Terras para entender a diversidade das suas atmosferas, mas ele não foi criado para encontrar planetas com o tamanho da Terra", disse Batalha.

Logo após o JWST teremos o Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), um telescópio de espionagem adaptado que, ao usar uma técnica chamada microlente gravitacional, terá capacidade de detectar planetas menores que a Terra que orbitem a distâncias superiores a 1 UA (a distância entre a Terra e o Sol) de suas estrelas. Usando um coronógrafo estelar, o WFIRST será capaz de ver luz refletida diretamente por alguns planetas maiores.

"O Kepler está pegando as estatísticas de exoplanetas com órbita parecida com a da Terra", explicou Batalha. "O WFIRST vai pegar estatísticas de planetas com órbita maior do que a da Terra. Então, com o tempo, vamos conseguir criar um mapa compreensivo dos exoplanetas espalhados pelo universo."

Assim que o WFIRST for lançado em meados dos anos 2020, as agências espaciais planejam duplicar a missão "busca vida". Essa é a futura missão que esperamos que consiga decodificar as atmosferas dos muitos planetas rochosos como a Terra que orbitam estrelas nas proximidades do nosso sistema solar.

"Entre agora e a busca vida, não vamos encontrar muitas Terras próximas", explicou Batalha. "Mas quando estivermos posicionados lá para 2025 para começar a colocar dinheiro nessa busca, então acho que teremos esperança de quem sabe encontrar algo em três décadas."

Três décadas até termos chance de encontrar uma nova Terra parece uma estimativa que deixa muitos caçadores de exoplaneta confortáveis. Mas se as Terras forem muito comuns, talvez tenhamos a sorte de encontrar um vizinho em menos tempo.

"O TESS vai encontrar algumas dúzias de planetas pequenos, rochosos e com a distância ideal das suas estrelas," explica Kaltenegger. "E então teremos uma lista dos mundos mais próximos e promissores para colocarmos todos os nossos telescópios em direção a eles para observá-los todas as noites. Vamos ter muito trabalho para fazer, mas também será uma oportunidade incrível."

Como saberemos que encontramos o que procuramos

Talvez demore algumas décadas para que a tecnologia necessária para encontrar a Terra 2.0 esteja disponível. Mas astrônomos não vão ficar sentados esperando isso acontecer.

"Nós queremos estar o mais preparados possível ao fazer essa pergunta agora: entre os milhares de mundos, entre as dezenas deles que estão próximos, quais serão os que vamos escolher?", disse Kaltenegger. "Combinar o que sabemos sobre a vida na Terra com o que sabemos de astronomia é um dos melhores jeitos de fazer isso."

No Instituto Carl Sagan, Kaltenegger e suas colegas estão analisando toneladas de informações que vão ajudar caçadores de alienígenas a vasculhar mundos candidatos. Isso inclui um banco de dados de impressões digitais contendo centenas de compostos químicos atmosféricos hipotéticos - algo que lembra a nossa Terra atual, algo que lembra a Terra do passado, outros que são totalmente diferentes do que temos ou tivemos aqui. Esse banco de dados, que Kaltenegger descreveu como um "CSI para exoplanetas" será usado para categorizar mundos distantes e classificá-los em termos de quão parecidos com a Terra eles são.

Um catálogo de cores ajudará na busca por um tipo completamente diferente de impressão digital. Assim como as paisagens verdes e os oceanos azuis dão dica da presença de vida na Terra, a biota vibrante de mundos distantes pode dar indícios disso. Em um estudo publicado em março, pesquisadores examinaram mais de 100 micro-organismos espalhados pela Terra, incluindo muitos que vivem em ambientes extremos, e documentou suas assinaturas de vida. A diversidade de cores representadas nesses bichos vai ajudar caçadores de aliens a imaginarem como a vida pode parecer e como podemos fazer para detectá-la além do nosso pálido ponto azul.

"Se um planeta tiver uma biota diferente do que é dominante por aqui, ele terá uma aparência diferente", explicou Kaltenegger. "Se você pensar nisso em cores - como um mundo é em azul, vermelho e verde - as diferentes superfícies teriam cores diferentes. E é isso o que você pode usar para priorizar quais planetas têm mais possibilidade de abrigar vida. Agora, nesse momento, com milhares de planetas no horizonte, e novas missões preparadas para os próximos 10 a 15 anos - agora é que precisamos entender o que podemos encontrar e como podemos encontrar."

E depois que encontrarmos, o que vai acontecer?

Considerar a possibilidade de encontrarmos uma segunda Terra é incrível. Mas mesmo uma prova definitiva da existência de vida em outros planetas não eliminaria nosso desejo de exploração. Muito pelo contrário.

O que me traz a uma questão feita no fim da cerimônia de inauguração do Instituto Carl Sagan, a um painel cheio de astrônomos, astrobiólogos e caçadores de planetas. Digamos que encontramos uma outra Terra. E digamos que ela está relativamente próxima - alguns anos-luz do nosso sistema solar. E agora?

A resposta é exatamente o que qualquer fã de ficção científica gostaria de ouvir. Vamos tentar chegar lá.

"Se alguém encontrar um planeta realmente parecido com a Terra a alguns anos-luz daqui, minha reação será de começar a construir uma espaçonave," disse o astrônomo de Cornell Steve Squyres, chefe da equipe do Mars Exploration Rover.

"Veja," disse Didier Queloz, um pesquisador de exoplanetas na Universidade de Cambridge, "a espécie humana precisou de dez mil anos para se espalhar pela Terra. Para chegar aqui, precisei de oito horas em um avião para cruzar o oceano Atlântico. Talvez precisemos de mais umas centenas ou milhares de anos, mas não me parece loucura pensar que um dia enviaremos sondas para as proximidades desses planetas. Não há nenhuma limitação fundamental além do tempo."

Batalha concorda. "Assim que soubermos que há vida - assim que pudermos apontar para uma estrela no céu e dizer que há vida por lá - eu pessoalmente acho que passaremos a estudar formas de chegar lá."

Uma viagem interestelar tripulada certamente seria uma viagem multigeracional. Em um mundo que parece cada vez mais obcecado com gratificação instantânea, pode ser difícil imaginar pessoas sacrificando suas vidas para umca jornada que provavelmente não chegarão ao fim. E sim, como Ann Druyan, co-escritora e produtora da série Cosmos apontou, todo mundo envolvido em descobertas exoplanetárias hoje em dia é um pensador multigeracional.

"Há uns oitenta anos, a noção de que outros mundos circulando por estrelas não era, cientificamente, uma posição respeitável a ser tomada," ela disse. "E aqui estamos hoje, engajados em projetos multigeracionais."

"Olhe para catedrais", disse Queloz. "Muitas das pessoas que as construíram não achavam que as veriam prontas. Acredito que estamos construindo catedrais - a ciência é uma forma moderna de expressar isso. Acho que, como espécie, estamos acostumados a trabalhar em conjunto, a se unir, e isso está nos nossos genes."