Cor dos mundos habitados





"Este é o lugar onde vivemos. No ponto azul ", disse Carl Sagan após o lançamento da famosa fotografia do " ponto azul claro ". A foto foi tirada pela sonda espacial Voyager 1 em 14 de fevereiro de 1990 a uma distância de 6 bilhões de km. Até hoje, esta fotografia continua sendo a fotografia mais distante da Terra. Em fevereiro deste ano, ela completou 30 anos, e em homenagem foi processada usando métodos digitais modernos, e recebeu uma imagem ainda mais impressionante. (clicável) Uma versão atualizada da foto do "ponto azul claro" usando programas e tecnologias modernas para processamento de imagem









Um ponto azul claro ou uma bola azul - em qualquer caso, nosso planeta está associado ao azul. E como a Terra é o único planeta habitado que conhecemos, é razoável supor que os outros planetas habitados serão azuis. No entanto, a realidade não é tão simples.



O que é cor?



Os astrônomos se referem à cor como a intensidade da luz em um determinado comprimento de onda. A luz é a radiação eletromagnética (EMP) que viaja pelo espaço como ondas na superfície da água. O comprimento de onda determina a cor. Por exemplo, EMR com um comprimento de onda de cerca de 450 nm parece azul para nós.



No entanto, o que as pessoas consideram ser cor, na verdade, representa apenas uma pequena fração de todo o comprimento de onda do espectro eletromagnético. Os telescópios podem detectar lacunas no espectro que estão além do que podemos ver com nossos olhos. A radiação infravermelha ou ultravioleta também pode ser considerada "cor". O céu noturno nos pareceria muito mais claro se pudéssemos ver toda a gama de PEM.



O próximo Telescópio Espacial James Webb pode detectar o espectro infravermelho. Ondas infravermelhasé mais fácil passar através da poeira e do gás interestelar do que a luz visível. Como resultado, o telescópio será capaz de "ver" através desses obstáculos.



E o que é mais interessante, a cor pode nos dizer muito sobre o objeto em estudo. A cor de uma estrela está relacionada à temperatura de sua superfície. Estrelas vermelhas são mais frias, estrelas azuis são mais quentes. A cor também indica a composição do objeto. A cor da atmosfera está relacionada à composição do ar. A cor da luz refletida de uma superfície indica as características dessa superfície. A cor de um objeto espacial geralmente consiste em várias cores.



A terra não é apenas azul, sua cor se mistura com várias cores, cada uma delas associada a certas superfícies e gases. Cada superfície e cada gás na atmosfera deixam sua própria assinatura nas ondas de luz do sol que os atingem e mudam de cor como resultado. Quando a luz atinge a folha da planta, a clorofila que ela contém absorve parte da energia da onda, refletindo as porções verde e infravermelha de volta ao espaço. A interação da luz com a matéria é estudada pela ciência da espectroscopia.





Cores e refletividade de várias superfícies do





espectro de PEM - observe que a luz que vemos (visível) é apenas uma pequena parte dela



Que tal um mundo distante - um exoplaneta - orbitando uma estrela? A cor de um mundo distante pode nos dizer sobre sua habitabilidade. Não podemos usar warp drives ou ir ao hiperespaço para alcançar esses planetas e, em vez disso, usar as informações que recebemos deles à velocidade da luz.



Existem dois problemas principais nos estudos espectrográficos de exoplanetas semelhantes à Terra.



Primeiro, nossa atual geração de telescópios carece de resolução para distinguir a luz refletida de um planeta do tamanho da Terra daquela de sua estrela. Para isso, as distâncias a esses objetos são muito grandes (lembre-se de como a Terra parece pequena a uma distância de 6 bilhões de km - e aqui estamos falando de centenas de trilhões). A luz da estrela e do planeta se fundem.



Sabemos que existem exoplanetas, sabemos seu tamanho, se são semelhantes à Terra, em torno de quais estrelas giram - mas hoje vemos pouco mais.



Em segundo lugar, mesmo que nossos telescópios possam estudar a luz de um planeta individual, não temos uma placa com cores que nos ajudaria a descobrir o que vemos exatamente - não temos nada com que nos comparar. Não sabemos como seria outra Terra orbitando outra estrela, a centenas de anos-luz de distância. E nossa Terra teria uma aparência diferente à luz de um sol vermelho ou azul.



Felizmente, agora estamos lidando com os dois problemas.





Projetos de telescópios do futuro



Uma nova geração de telescópios de alta resolução surge no horizonte. Telescópios espaciais, notadamente James Webb , HabEx e LUVOIR . Telescópios terrestres - por exemplo, o gigante telescópio de Magalhães . Sua resolução permitirá a separação da luz de um planeta relativamente escuro e sua estrela brilhante.



Esperando um aumento na resolução do telescópio, Jack Madden, PhD em astrofísica na Universidade Cornell, compilou um guia de corespara mundos semelhantes à Terra girando em torno de outras estrelas. O manual, gerado por simulações de computador, pode ser usado para interpretar as cores dos mundos que observamos e determinar sua habitabilidade.





Um exoplaneta como este pode ter uma atmosfera azul que se assemelha à da Terra. Sob a luz de uma estrela vermelha, apresenta uma tonalidade esverdeada.



Madden criou Terras simuladas combinando tipos de superfície encontrados em nosso próprio planeta: água do mar, basalto, granito, areia, árvores, grama, neve e nuvens. Alguns dos planetas simulados receberam um único tipo de superfície - por exemplo, planetas completamente cobertos por selva / florestas (como Endor de Return of the Jedi); mundos nevados (como Hoth de The Empire Strikes Back); mundos do deserto (Tatooine de A New Hope). Alguns contam com uma combinação de vários tipos, como a Terra. Para cada um dos planetas, foram consideradas opções diferentes, incluindo aqueles com 70% de cobertura de água, como o da Terra, sem nuvens, ou com 44% de cobertura de nuvens, como a nossa média.



Em seguida, esses planetas foram colocados na zona habitável de estrelas simuladas - a uma distância tal que receberam energia suficiente para manter a água na superfície em estado líquido. As temperaturas superficiais das estrelas simuladas variaram de 3.900 K a 7400 K, correspondendo a 12 classes e subclasses de estrelas , incluindo as classes F, G e K.



Este intervalo inclui estrelas mais frias e mais vermelhas em comparação com o nosso Sol, que está na classe G e tem temperaturas de superfície cerca de 5770 K, e mais quente e mais azul. Estrelas ainda mais frias da classe M foram excluídas da lista. Para obter energia suficiente, os planetas teriam que orbitar tão perto deles que correriam o risco de erupções solares. Além disso, esses planetas viriam arotação síncrona com a estrela, e seria voltada para ela com um lado.



Como resultado, 30 tipos diferentes de superfícies planetárias e 12 tipos diferentes de estrelas foram simulados. No total, 360 planetas diferentes foram obtidos com comprimentos de onda de 0,4 a 20 mícrons (que corresponde ao espectro da luz visível ao infravermelho).



“A Terra é nosso único exemplo de mundo habitado. Quanto melhor estivermos preparados para encontrar um mundo que possa apoiar a paz, mas não como a Terra, mais cedo poderemos detectar sinais de sua existência. Com telescópios à nossa disposição que podem detectar sinais de vida nas atmosferas de planetas distantes, iremos compilar um extenso conjunto de modelos com os quais podemos comparar. Com base nas condições observadas, poderemos descobrir quais tipos de superfícies são capazes de manter a temperatura necessária para a existência de água em estado líquido ”, escreveu Jack Madden.





Um exoplaneta e sua lua orbitando uma estrela brilhante de classe F às vezes se alinham. A luz espalhada é refletida do topo das nuvens e forma uma imagem de fogo para todos os observadores de um determinado ângulo de visão.



Cores habitáveis



Os planetas simulados tornaram possível criar um guia para futuros telescópios com o qual se planeja caçar exoplanetas. Ao comparar os espectros de observações com planetas semelhantes à Terra simulados, será mais fácil entender se estamos vendo um mundo de selva coberto de nuvens, um planeta oceano, uma rocha sem ar ou um mundo continental com muitos tipos de superfície diferentes como a Terra.



As simulações também revelaram os detalhes da interação entre a superfície do planeta e a luz que emana da estrela. Por exemplo, embora estrelas mais frias emitam menos energia do que as mais quentes, elas aquecem mundos semelhantes à Terra com mais eficiência porque mais radiação cai na faixa do infravermelho.



Diferentes tipos de superfície, dependendo de como absorvem ou refletem a luz de uma estrela em particular, também afetam a temperatura na superfície do planeta. As superfícies azuis serão mais frias sob a luz de uma estrela azul, enquanto as superfícies vermelhas irão absorver mais luz azul e aquecer.



O contraste de cores do planeta também muda devido às propriedades de sua superfície. Um planeta deserto orbitando uma estrela fraca de classe K pode ser duas vezes mais brilhante do que um planeta coberto pelo oceano orbitando uma estrela brilhante de classe F: a água do mar reflete menos luz do que areia.



O tipo de superfície de um planeta pode afetar significativamente sua temperatura de superfície e habitabilidade, bem como a forma como ele é visto em nossos telescópios, dependendo do tipo de sua estrela. Esta informação nos ajudará a selecionar estrelas para nossos futuros supertelescópios observar, e exoplanetas aos quais podemos retornar após aumentar a resolução.





Uma amostra de uma combinação de luz refletida e emitida por exoplanetas simulados. Estão representados planetas com 30% da superfície de vários tipos e 70% da superfície coberta por água do mar, bem como com e sem nuvens. O eixo Y representa a quantidade de energia refletida por uma determinada superfície, o eixo X representa os comprimentos de onda.



Tendo vida



A luz refletida pela atmosfera de um planeta pode nos dizer sobre sua composição. Ao passar pela atmosfera do planeta, a luz da estrela muda devido à presença de alguns gases ali. Os telescópios podem detectar essas mudanças.



Simulando todos esses mundos, é possível simplificar a tarefa de reconhecer a presença de gases como o metano e o oxigênio na atmosfera dos planetas. Normalmente, metano e oxigênio são mutuamente destruídos, de modo que sua presença contínua na atmosfera do planeta (como acontece na Terra) pode ser um sinal de que processos biológicos estão acontecendo ali, restaurando as reservas de um ou de ambos os gases.



As plantas também podem ser vistas de uma grande distância, graças ao chamado. O "efeito de borda vermelha" na faixa de comprimento de onda de cerca de 700 nm - luz vermelha e infravermelha próxima. Planetas cobertos por árvores simulados têm um aumento dramático na refletividade neste ponto do espectro. As plantas terrestres refletem a luz infravermelha para se proteger do superaquecimento durante a fotossíntese.



Existem outras possibilidades interessantes que não estão incluídas nos modelos de Madden. Por exemplo, não está claro como o espectro de um planeta mudará, o que não apenas refletirá a luz, mas também emitirá sua própria luz. Esta luz pode ser o resultado de organismos bioluminescentes na superfície do planeta (como em Pandora do Avatar). Seremos capazes de descobrir essas oportunidades durante a futura caça aos planetas.



Madden não apenas simula as características espectroscópicas dos planetas, mas também faz desenhos digitais sobre o assunto. Alguns de seus trabalhos são apresentados neste artigo, o restante pode ser encontrado em seu site .



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