Localizado no coração do Centro de Simulação Climática da NASA (NCCS) - parte do Goddard Space Flight Center da NASA - está o supercomputador Discover, um cluster de 129.000 núcleos de processadores baseados em Linux. Este supercomputador, capaz de realizar 6,8 trilhões de petaflops (6,8 trilhões) de operações por segundo, tem a tarefa de executar modelos climáticos sofisticados para prever como será o clima da Terra no futuro.
No entanto, o NCCS também começou a dedicar parte do poder de supercomputação do Discover para prever como seriam as condições em qualquer um dos mais de 4.000 planetas que foram descobertos além do nosso Sistema Solar. Não apenas essas simulações mostraram que muitos desses planetas poderiam ser habitáveis, mas também são evidências de que nossas próprias noções de "habitabilidade" poderiam repensar.
Apesar do grande número de descobertas de exoplanetas que ocorreram na última década, os cientistas ainda são forçados a confiar em modelos climáticos para determinar quais dentre eles poderiam ser "potencialmente habitáveis". Atualmente, explorar esses planetas através de naves espaciais é completamente impraticável por causa das grandes distâncias envolvidas.
Como abordamos em um artigo anterior, levaria entre 19.000 e 81.000 anos para alcançar o sistema estelar mais próximo (Alpha Centauri) usando métodos e tecnologia atuais. Além disso, a observação direta de exoplanetas só é possível em casos raros usando os telescópios de hoje, que normalmente envolvem planetas maciços que orbitam suas estrelas a uma grande distância. Esses planetas tendem a ser gigantes gasosos e, portanto, não são candidatos à habitabilidade.
De qualquer forma, os astrônomos descobriram que todos os planetas que foram observados além do nosso Sistema Solar são de natureza bastante eclética. Na maior parte, os 4.108 exoplanetas que foram confirmados até o momento são gigantes de gás do tipo Netuno (1375), gigantes de gás do tipo Júpiter (1293) ou Super-Terras (1273). Apenas 161 exoplanetas são terrestres (também conhecidos como rochosos ou "parecidos com a Terra") na natureza, todos eles encontrados em torno de estrelas do tipo M (anã vermelha).
Como explicou Elisa Quintana - astrofísica da NASA Goddard que liderou a equipe responsável pela descoberta do Kepler-186f em 2014, o primeiro planeta do tamanho da Terra em uma zona habitável (HZ) -:
“Durante muito tempo, os cientistas estavam realmente focados em encontrar sistemas semelhantes ao Sol e à Terra. Isso é tudo que sabíamos. Mas descobrimos que existe toda essa diversidade louca de planetas. Encontramos planetas tão pequenos quanto a lua. Encontramos planetas gigantes. E encontramos algumas que orbitam pequenas estrelas, estrelas gigantes e múltiplas estrelas. ”
A descoberta de planetas terrestres que orbitam dentro dos HZs de anãs vermelhas foi inicialmente uma fonte de grande excitação. Essas estrelas não são apenas as mais comuns em nosso Universo - representando 85% das estrelas apenas na Via Láctea -, mas várias foram encontradas em órbitas de estrelas próximas do Sistema Solar.
Isso inclui os três planetas que orbitam dentro do HZ do TRAPPIST-1 (39,46 anos-luz de distância) e Proxima b, o exoplaneta mais próximo da Terra (a 4,24 anos-luz de distância). Infelizmente, numerosos estudos foram realizados nos últimos anos que indicaram que esses planetas teriam dificuldade em manter uma atmosfera viável ao longo do tempo.
Simplificando, o fato de serem menores e mais frias significa que as anãs vermelhas têm HZs muito mais próximos de suas superfícies. Isso significa que qualquer planeta que orbita com o HZ de uma anã vermelha provavelmente ficará travado por maré, o que significa que um lado está constantemente voltado para a estrela e na extremidade receptora de todo o calor, radiação e vento solar da estrela.
Se esses planetas podem ou não ser habitáveis, portanto, depende de vários fatores, como a presença de uma atmosfera densa, a presença de uma magnetosfera e as abundâncias químicas adequadas. Em vez de serem capazes de ver planetas diretamente e verificar a existência desses ingredientes para a vida (também chamados de bioassinaturas), os cientistas contam com modelos climáticos para ajudar na busca de exoplanetas "potencialmente habitáveis".
De acordo com Karl Stapelfeldt, principal cientista exoplanetário da NASA, baseado no Laboratório de Propulsão a Jato, a capacidade de modelar o clima em outros planetas é absolutamente essencial. para o futuro da exploração espacial "Os modelos fazem previsões específicas e testáveis do que devemos ver", disse ele. "Isso é muito importante para projetar nossos futuros telescópios e observar estratégias".
Simplificando, a modelagem climática envolve a criação de uma simulação de como será o clima da Terra (ou de outro planeta) com base em condições específicas e / ou mudanças ambientais. Por anos, esse trabalho foi realizado por Anthony Del Genio, um cientista climático planetário recém-aposentado do Instituto Goddard de Estudos Espaciais da NASA. Durante sua carreira, Del Genio conduziu simulações climáticas envolvendo a Terra e outros planetas (incluindo Proxima b).
Para recapitular, o Proxima b é aproximadamente do mesmo tamanho da Terra e pelo menos 1,3 vezes maior. Ele orbita sua estrela (Proxima Centauri) uma vez a cada 11,2 dias terrestres e a uma distância de 0,05 UA (5% da distância entre a Terra e o Sol). A essa distância, é provável que o planeta esteja gravitacionalmente preso à sua estrela, com um lado constantemente exposto à intensa radiação da estrela enquanto o outro está sujeito a constantes trevas e temperaturas congelantes.
No entanto, a equipe de Del Genio recentemente simulou possíveis climas no Proxima b mais uma vez para testar quantos resultariam em um ambiente quente e úmido capaz de sustentar a vida. Curiosamente, essas simulações mostraram que planetas como o Proxima b poderiam ser habitáveis, apesar de estarem travados pelas marés e de toda a radiação à qual um lado está exposto.
Para conduzir essas simulações, a equipe de Del Genio usou o supercomputador Discover para executar um simulador planetário que eles mesmos desenvolveram - chamado ROCKE-3D. Este simulador é baseado em uma versão do modelo climático da Terra que foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1970 e que foi atualizado para que ele pudesse simular climas em outros planetas, baseado em parte nos tipos de órbitas que possam ter e em suas composições atmosféricas.
Para cada simulação, a equipe de Del Genio variou as condições no Proxima b para ver como isso afetaria seu clima. Isso incluiu o ajuste dos tipos e quantidades de gases de efeito estufa em sua atmosfera, a profundidade, tamanho e salinidade de seus oceanos e a proporção de terra para água. A partir disso, eles puderam ver como as nuvens e os oceanos circulariam e como a radiação do sol do planeta interagia com a atmosfera e a superfície do Proxima b.
O que eles descobriram foi que a hipotética camada de nuvens do Proxima b atuaria como um escudo, desviando a radiação do sol da superfície e diminuindo a temperatura no lado voltado para o sol do Proxima b. Isso é consistente com a pesquisa realizada pelos cientistas Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) da NASA Goddard, que mostrou como o Proxima b pode formar nuvens tão grandes que cobrem o céu inteiro.
Como Ravi Kopparapu, um cientista planetário da NASA Goddard que também modela os climas potenciais dos exoplanetas, explicou:
“Se um planeta está gravitacionalmente bloqueado e gira lentamente em seu eixo, um círculo de nuvens se forma na frente da estrela, sempre apontando em sua direção. Isso ocorre devido à força conhecida como efeito Coriolis, que causa convecção no local em que a estrela está aquecendo a atmosfera. Nossa modelagem mostra que o Proxima b pode ficar assim. ”
Juntamente com a circulação oceânica, esse círculo de nuvens também significaria que o ar e a água quentes poderiam se mover para o lado escuro do planeta, conseguindo assim a transferência de calor e tornando o planeta inteiro mais hospitaleiro. “Assim, você não apenas evita que a atmosfera do lado noturno congele, mas cria partes do lado noturno que mantêm água líquida na superfície, mesmo que essas partes não vejam luz”, disse Del Genio.
Além de circular e manter o calor, as atmosferas e as correntes oceânicas também são responsáveis pela distribuição de gases e elementos químicos necessários à vida como a conhecemos - por exemplo. gás oxigênio, dióxido de carbono, metano, etc. São conhecidas como "bioassinaturas", pois são essenciais para a vida aqui na Terra ou estão associadas a processos biológicos.
No entanto, "como a conhecemos" é a palavra-chave aqui. Atualmente, a Terra continua sendo o único planeta habitável conhecido e as várias formas de vida que ele suporta são os únicos exemplos com os quais estamos familiarizados. Como tal, procurar vida além da Terra atualmente se limita à pesquisa de bioassinaturas necessárias para (e associadas a formas de vida conhecidas). Isso é o que chamamos de "abordagem de frutas pendentes".
Além disso, a Terra evoluiu consideravelmente nos últimos bilhões de anos, assim como as formas de vida que a chamavam de lar. Enquanto hoje, o gás oxigênio é essencial para as criaturas mamíferas, teria sido tóxico para as bactérias fotossintéticas que prosperavam em uma atmosfera predominantemente de dióxido de carbono e gás nitrogênio que existia na Terra bilhões de anos atrás.
Portanto, embora esse tipo de modelagem não possa dizer com certeza se um planeta é habitado, certamente pode ajudar a restringir a pesquisa, mostrando quais candidatos são alvos promissores para observações subsequentes. "Embora nosso trabalho não possa dizer aos observadores se algum planeta é habitável ou não, podemos dizer se um planeta está no meio dos bons candidatos para procurar mais", disse Del Genio.
Isso será especialmente útil nos próximos anos, quando os telescópios da próxima geração chegarem ao espaço. Isso inclui o Telescópio Espacial James Webb, que está programado para ser lançado em 2021, e o Telescópio Espacial de Infravermelho de Campo Largo (WFIRST), que será lançado em 2023. Juntamente com observatórios terrestres como o Extremely Large Telescope (ELT), esses Os instrumentos permitirão aos cientistas observar diretamente planetas menores pela primeira vez.
Coronógrafos como o Starshade também farão uma grande diferença ao afogar a luz das estrelas, o que de outra forma obscurece a luz refletida na atmosfera de um planeta. Esses e outros desenvolvimentos significam que os astrônomos também serão capazes de estudar a atmosfera de exoplanetas rochosos, o que lhes permitirá finalmente dizer com confiança quais planetas são "potencialmente habitáveis".
Não deixe de conferir esta animação de como será o clima do Proxima b, cortesia da equipe de Del Genio e do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA:
