Cientistas da NASA mostram como as ondas gravitacionais podem revelar novos mundos

O observatório LISA (Laser Interferometer Space Antenna), agora em desenvolvimento, detectará ondas gravitacionais, as pequenas ondulações no espaço-tempo causadas por massas em órbita. Agora, dois estudos liderados por astrofísicos da NASA mostram com novos detalhes como o LISA poderia revelar uma população nova e única de exoplanetas — mundos além do nosso sistema solar — em toda a nossa galáxia.

“Espera-se que a fonte mais comum de LISA sejam sistemas de anãs brancas duplas, que são binários compostos de anãs brancas em órbitas estreitas”, disse Casey McGrath, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Maryland, no condado de Baltimore e Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. “Se um exoplaneta também orbita dentro de um destes sistemas, a sua presença fica impressa no sinal da onda gravitacional de uma forma que seremos capazes de descobrir.”

Dois artigos publicados terça-feira no The Astrophysical Journal detalham as descobertas. O primeirode autoria exclusiva de McGrath, examina o método de detecção e determina as massas dos planetas e os períodos orbitais onde funcionaria melhor. O segundo artigode McGrath e co-autores, investiga como tais planetas poderiam ser confirmados usando os dados da NASA Telescópio Espacial James Webb.

A possibilidade de detectar exoplanetas em torno de sistemas de anãs brancas duplas LISA foi primeiro proposto pelo astrônomo japonês Naoki Seto em 2008.

Liderado pela ESA (Agência Espacial Europeia), o Missão LISA está previsto para ser lançado em meados da década de 2030. Como parceiro colaborativo, a NASA está contribuindo com telescópios, outro hardware crítico e apoio científico e de engenharia como parte de sua missão de compreender melhor como o universo funciona.

O método de detecção LISA é semelhante ao chamado velocidade radial que usa luz e já é empregado para encontrar exoplanetas em torno de estrelas próximas. À medida que um planeta orbita, a sua gravidade atrai a sua estrela hospedeira, transmitindo-lhe um pequeno movimento reflexo, ou oscilação. Esta oscilação faz com que o espectro da estrela oscile, com as linhas espectrais mudando de comprimentos de onda mais vermelhos à medida que a estrela se afasta de nós, para comprimentos de onda mais azuis à medida que a estrela se move em nossa direção. A mudança se deve a um fenômeno chamado Efeito Doppler.

“Algo semelhante ocorre com as ondas gravitacionais”, disse Scott Noble, astrofísico teórico do Goddard da NASA e co-autor do artigo de confirmação. “Por si só, as anãs brancas duplas emitirão ondas gravitacionais numa frequência quase contínua. Adicione um planeta suficientemente massivo ao sistema e a sua presença faz com que o binário experimente movimento reflexo, adicionando uma modulação Doppler ao sinal gravitacional.”

Para LISA, esta modulação aparecerá como bandas laterais, sinais secundários em frequências mais altas e mais baixas que a primária.

McGrath compara a situação à comunicação de rádio moderna, onde parte da energia de uma frequência portadora de rádio principal vai para a formação de bandas laterais em frequências superiores e inferiores adjacentes que transportam mensagens (como vozes ou música). Para ondas gravitacionais, as bandas laterais transmitem mensagens sobre a presença de um planeta.

Anãs brancas são os restos de estrelas como o Sol, do tamanho da Terra. Embora exoplanetas tenham sido detectados em torno de algumas anãs brancas isoladas, nenhum foi ainda encontrado em torno de uma anã branca binária, o que significa que as detecções do LISA representariam uma nova população distinta de exoplanetas.

Os astrónomos estimam que a nossa galáxia, a Via Láctea, contém 10 milhões de sistemas duplos de anãs brancas com períodos orbitais de menos de uma hora, que geram ondas gravitacionais na faixa certa para o LISA encontrar. Eles esperam que o LISA resolva cerca de 10.000 sistemas individuais, bem como cerca de 100 binários mistos – com anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros – orbitando em períodos semelhantes.

“Assim que a LISA capturar as suas primeiras detecções de exoplanetas, será fundamental para nós validar algumas delas,” disse Mary Anne Limbach, cientista assistente de investigação na Universidade do Michigan e co-autora do artigo de confirmação. “Essas detecções conjuntas nos permitirão estabelecer que os sinais gravitacionais correspondem a planetas genuínos, e não a falsos positivos.”

A equipe descreveu um novo método para confirmar esses planetas, aproveitando a sensibilidade infravermelha do telescópio Webb. Um planeta num sistema de anãs brancas duplas produz uma porção maior de luz infravermelha do que a esperada das próprias estrelas. Os instrumentos de Webb podem detectar facilmente este excesso infravermelho a uma distância de pelo menos 500 anos-luz.

Usando esta técnica para um sistema de caso de teste a esta distância, os investigadores descobriram que Webb poderia detectar um exoplaneta com cerca de cinco vezes a massa de Júpiter, enquanto o LISA poderia detectar um exoplaneta sub-Júpiter em circunstâncias ideais.

O observatório LISA consistirá em um trio de espaçonaves seguindo a Terra enquanto ela orbita o Sol. Eles formarão um vasto conjunto triangular que se estenderá por 2,5 milhões de quilômetros de cada lado. Cada espaçonave incluirá dois telescópios que usarão feixes de laser infravermelho para transmitir e receber simultaneamente sinais entre espaçonaves adjacentes. Através destes telescópios, a sonda medirá mudanças minúsculas – menores que a largura de um átomo de hélio – nas suas distâncias relativas, os sinais da passagem das ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais foram previstas pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein de 1916 e detectado pela primeira vez por observatórios terrestres em 2015. As ondas se formam sempre que objetos massivos aceleram, como duas estrelas em órbita uma da outra. Eles viajam pelo espaço-tempo, movendo-se à velocidade da luz, e não são afetados pelos objetos que encontram ao longo do caminho. Estas propriedades fazem deles uma ferramenta valiosa para sondar o cosmos.

Contribuições adicionais da NASA para a missão incluem o sistema laser, dispositivos para gerenciar o acúmulo de carga elétrica nas massas de prova, análise de dados para identificar e caracterizar fontes individuais de ondas gravitacionais e conhecimentos científicos e de engenharia adicionais.

Para saber mais sobre a missão LISA, visite:

https://nasa.gov/lisa