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A NASA está construindo um novo telescópio espacial para procurar vida em planetas próximos. O que teria visto na Terra antiga?
O Observatório de Mundos Habitáveis da NASA é o próximo telescópio espacial carro-chefe da agência, projetado para fazer algo que nenhum instrumento anterior conseguiu: criar imagens diretas de planetas semelhantes à Terra em torno de estrelas próximas e analisar a luz refletida em suas atmosferas em busca de sinais de vida.
A missão é ainda a anos do lançamento. Mas as escolhas de design feitas agora determinarão o que ele pode realmente detectar. UM novo artigo postado no servidor de pré-impressão arXiv aborda uma das mais importantes dessas escolhas: a resolução espectral.
Os autores do estudo realizaram uma análise cuidadosa de quão detalhadamente o Observatório de Mundos Habitáveis (HWO) precisaria para cortar a luz de uma Terra distante para detectar com segurança bioassinaturas na sua atmosfera. A questão é mais importante do que você imagina.
A resolução espectral é o quão bem um telescópio pode distinguir entre cores de luz adjacentes. Uma resolução mais alta significa uma impressão digital atmosférica mais detalhada, mas também significa tempos de exposição mais longos, mais ruído no detector e uma engenharia mais complicada. Empurre muito alto e você estragará o cronograma de observação da missão. Se for muito baixo, você não perceberá a diferença entre um planeta habitado e um planeta árido.
Para estimar que tipo de resolução espectral seria necessária para detectar assinaturas biológicas no nosso planeta na sua infância, a equipa modelou o que o HWO veria ao observar versões da Terra ao longo do tempo geológico.
Atmosfera da Terra mudou dramaticamente ao longo de sua história. A Terra Arqueana, antes do surgimento das plantas e das cianobactérias, quase não tinha oxigênio. A Terra Proterozóica tinha alguns, mas não muitos. A Terra Fanerozóica, a que conhecemos, atingiu cerca de 20% de oxigênio quando a vida complexa se instalou. Cada um deixa uma assinatura espectral diferente e o HWO precisará reconhecer todos os três.
Os números das manchetes são surpreendentemente modestos. Para detectar o oxigênio molecular, a bioassinatura padrão-ouro em um planeta como o nosso, o HWO precisa de um poder de resolução na luz visível de cerca de 140. O ozônio aparece com um poder de resolução muito menor, de cerca de 7 no ultravioleta. Esses números estão dentro do que os designs ópticos atuais podem oferecer.
O infravermelho é mais difícil. O dióxido de carbono e o monóxido de carbono têm características espectrais que se sobrepõem, e se o HWO não conseguir diferenciá-los, poderá confundir um planeta morto vulcanicamente ativo com um planeta vivo. A equipe descobriu que um poder de resolução no infravermelho próximo de pelo menos 40 é o mínimo necessário para quebrar essa degeneração. Para caracterizar uma atmosfera ao longo de toda a história geológica da Terra, eles recomendam um poder de resolução infravermelho nominal de cerca de 70.
Como eles chegaram a esses números? Eles geraram observações sintéticas de HWO em potências de resolução de 20 a 5.000 e, em seguida, analisaram cada espectro simulado por meio de algoritmos de recuperação para ver o que realmente poderia ser inferido sobre a atmosfera subjacente. Eles levaram em consideração o ruído do detector, o tempo de exposição e as anti-bioassinaturas (características atmosféricas que argumentariam contra a presença de vida).
Existem limites reais de engenharia em jogo. A corrente escura dos detectores do HWO, o minúsculo zumbido de fundo do elétrons que qualquer detector gera mesmo sem luz atingindo-o, estabelece um piso rígido sobre o que a resolução fina pode comprar para você. Levar a detecção de oxigênio significativamente além da linha de base exigiria a redução da corrente escura em aproximadamente um fator de dez. E avançar para uma resolução mais alta para o oxigênio duplicaria aproximadamente o tempo de exposição necessário para o vapor de água.
Os autores são cuidadosos quanto aos limites de suas análises. Seus tempos absolutos de exposição podem diminuir em cerca de 20%. E a advertência mais filosófica é a que sempre acompanhou este trabalho: mesmo uma detecção confiável de oxigênio, ozônio, metano e água em uma atmosfera de exoplaneta não é o mesmo que uma detecção confiável da vida.
O universo tem maneiras não biológicas de produzir qualquer um desses gases. O trabalho da HWO não é declarar vitória por si só: é encontrar os candidatos que valem a pena acompanhar.
O que este artigo fornece é uma meta quantitativa clara para os engenheiros que constroem o instrumento. Um poder de resolução de 140 no visível, 7 no ultravioleta e 70 no infravermelho próximo, com corrente escura baixa o suficiente para tornar a detecção de oxigênio uma rotina. Essa é a folha de especificações de um telescópio que poderia, em princípio, encontrar sinais de vida em outro mundo.
Agora só nos resta construí-lo.
