Como o novo observatório de carbono da NASA nos ajudará a compreender mundos alienígenas

This News Exclusive was originally published in English on Sep 4, 2014. This translation for the Portuguese edition of Astrobiology magazine was provided by Bruno Martini. The original article is available here.


 

Artist's rendering of NASA's Orbiting Carbon Observatory (OCO)-2, one of five new NASA Earth science missions set to launch in 2014, and one of three managed by JPL. Image Credit: NASA/JPL-Caltech

Expressão artística do Orbiting Carbon Observatory-2 da NASA. Crédito: NASA/JPL Caltech

Em 02 de julho, a NASA lançou com sucesso o Orbiting Carbon Observatory-2 – OCO-2 (Observatório Orbital do Carbono-2) –, um satélite de sensoriamento remoto em uma missão para medir precisamente os níveis de dióxido de carbono na atmosfera do nosso planeta. Como um bônus, o OCO-2 irá também ajudar a nos preparar para eventualmente sondar as atmosferas de mundos alienígenas em detalhes mais nítidos.

Por que estudar o dióxido de carbono? Este gás essencialmente serve como o termostato da Terra. Como um ‘gás de efeito estufa’ o dióxido de carbono absorve a radiação emitida pela superfície do planeta que de outra forma escaparia para o espaço. Quanto mais dióxido de carbono na atmosfera, mais quente a Terra fica.

Sources and sinks: Volcanoes belch carbon dioxide into the atmosphere, while the ocean absorbs great quantities of the gas. Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory

Fontes e sumidouros: vulcões ‘arrotam’ dióxido de carbono na atmosfera, enquanto o oceano absorve grandes quantidades do gás. Crédito: Lawrence Berkeley National Laboratory

Através da história geológica, os níveis de dióxido de carbono têm aumentado e diminuído, levando a épocas climáticas mais quentes e mais frias. Ocasionalmente, as escalas têm guinado demais para uma ou outra direção, levando a vida da Terra ao extremo. O período da ‘Terra bola de neve’ de 650 milhões de anos atrás e a banheira de águas quentes tropicais do antigo período Triássico são apenas dois exemplos.

Normalmente, a vida e o próprio planeta trabalham juntos para moderar as mudanças no dióxido de carbono e seus decorrentes extremos climáticos. O dióxido de carbono naturalmente termina na atmosfera quando é liberado por incêndios florestais, vulcões, decomposição de matéria orgânica e outras fontes. Plantas, rochas e os oceanos – chamados ‘sumidouros’ – absorvem uma quantidade comparável deste gás liberado, mantendo um equilíbrio do carbono.

A missão OCO-2 está para aprender mais sobre o ciclo da Terra de inalar e exalar dióxido de carbono.

‘Estamos basicamente assistindo à Terra respirar’, afirmou David Crisp, o líder da equipe científica do OCO-2 do Jet Propulsion Laboratory (Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, EUA.

Como um físico atmosférico, Crisp também goza de bona fides (boa fé) na astrobiologia como um membro do Virtual Planet Laboratory (Laboratório Planetário Virtual) do NASA Astrobiology Institute (Instituto de Astrobiologia da NASA) na University of Washington (Universidade de Washington).

Algo no ar

Os cientistas querem uma melhor medida do dióxido de carbono por causa da ameaça do mudança climática criada pela humanidade. Desde o alvorecer da Era Industrial, há cerca de 250 anos atrás, a atividade humana tem aumentado o conteúdo de dióxido de carbono na atmosfera da Terra de 280 partes por milhão (ppm) para mais de 400 ppm hoje. O aumento da temperatura global o acompanhou. No ritmo atual de acúmulo de dióxido de carbono na atmosfera, o aquecimento futuro pode levar ao aumento do nível do mar e outras consequências negativas durante o próximo século.

‘Sabemos que o dióxido de carbono tem se acumulado rapidamente na atmosfera, primariamente devido à atividade humana’, disse Crisp. ‘Estamos bombeando 40 bilhões de toneladas de carbono para a atmosfera todo ano e isto aumentou por um fator de três desde que as primeiras medições precisas (do gás) foram feitas em 1958 – é uma taxa alarmante.’

De forma curiosa, alguma parte da Terra, talvez os oceanos ou as florestas, está absorvendo mais dióxido de carbono do que seria esperado.

Níveis históricos de dióxido de carbono na atmosfera como medidos pelo Observatório Mauna Loa no Havaí. Crédito: Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego

Níveis históricos de dióxido de carbono na atmosfera como medidos pelo Observatório Mauna Loa no Havaí. Crédito: Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego

‘Acima de metade de todo o dióxido de carbono sendo colocado na atmosfera pelas atividades humanas todo ano está desaparecendo em algum lugar’, disse Crisp. ‘Isto tem sido um enigma e é uma grande razão pela qual iniciamos a missão OCO.’ (A missão OCO original foi lançada em 2009, mas falhou em alcançar sua órbita devido a um mau funcionamento do veículo de lançamento. A OCO-2 é uma missão de sequência praticamente idêntica, ou no trocadilho, uma ‘cópia em carbono’).

Precisão extrema

A OCO-2 caçará os misteriosos sumidouros onde o carbono está sendo retirado da atmosfera e armazenado na Terra. Para fazê-lo, a OCO-2 fará medições baseadas no espaço do dióxido de carbono que serão bem mais precisas e compreensivas que os dados reunidos atualmente. Muito dos nossos dados da distribuição de carbono anteriores, datados de décadas atrás, vêm de uma rede dispersa de mais de 100 estações no solo. Um satélite japonês, o Greenhouse Gases Observing Satellite – GOSAT (Satélite de Observação de Gases de Efeito Estufa), que foi lançado em 2009, adicionou uma considerável cobertura global. Mas o OCO-2 fará aproximadamente 100 vezes mais medições que o GOSAT ao coletar 24 amostras por segundo, ao invés de uma amostra a cada quatro segundos deste último.

A precisão do OCO-2 também é inovadora. O satélite será capaz de medir a concentração de dióxido de carbono na atmosfera com uma precisão de aproximadamente 0,25 por cento.

‘Este é um sinal muito fraco, mas é o que precisamos para detectar as fontes e sumidouros, os processos naturais que estão absorvendo dióxido de carbono na superfície’, disse Crisp.

O satélite faz essas medições com três espectrômetros de alta resolução. Estes instrumentos medem a quantidade de luz solar refletida que as moléculas de dióxido de carbono e oxigênio da atmosfera absorvem. Esta absorção cria uma assinatura, como uma impressão digital molecular, na luz coletada pelo OCO-2. A razão de dióxido de carbono em relação ao oxigênio revela a concentração de dióxido de carbono atmosférica.

Buscando por pequenas pistas

Espectrômetros de alta precisão são exatamente o que os astrobiólogos precisarão no futuro próximo enquanto eles tentam detectar sinais de vida em exoplanetas.

‘A OCO-2 é um enorme passo a frente porque possui um dos espectrômetros de maior precisão que já voou no espaço e isto é exatamente o que precisamos para os exoplanetas também’, disse Crisp.

Detecting water vapor in gas giants is just one step along the way to understanding water transport in exoplanetary systems. Credit: NASA

Uma expressão artística da luz solar atingindo um exoplaneta com uma atmosfera grossa. Crédito: NASA/ESA

A busca por vida alienígena em exoplanetas através das próximas uma ou duas décadas será provavelmente indireta. Isto porque exoplanetas estão simplesmente muito distantes para até mesmo nossa próxima geração de telescópios possa acuradamente ‘ver’ suas superfícies para procurar por, digamos, padrões de vegetação ou as linhas de grade artificiais das cidades de uma civilização alienígena.

‘Você não vê homenzinhos verdes vindo de suas medições’, brincou Crisp.

Ao contrário, teremos de contar com espectrômetros para analisar atmosferas de mundos alienígenas. Tentaremos detectar combinações e abundâncias de gases apenas produzidos, até onde sabemos, por vida.

‘A principal coisa que estamos procurando são condições que requerem uma química bem incomum para ocorrer’, afirmou Crisp.

Exemplos de biomarcadores astronômicos que normalmente são citados incluem oxigênio e metano moleculares, porque ambos são produzidos primariamente por processos biológicos na Terra. O oxigênio molecular resulta da fotossíntese, enquanto o metano é produzido por bactérias encontradas em pântanos e em vísceras de animais.

No entanto, nenhum gás é necessariamente um biomarcador por si mesmo, a menos que ele esteja bem longe do equilíbrio químico do seu ambiente. Um exemplo de biomarcador é a presença de quantidades significantes de oxigênio molecular juntamente com gases vulcânicos como o sulfeto de hidrogênio ou hidrogênio molecular, que reagem fortemente com o oxigênio; ou a evidência de intemperismo ativo na superfície, que retira o oxigênio da atmosfera. A presença de metano em um ambiente que de outra forma seria rico em oxigênio também constituiria um biomarcador.

Fótons preciosos

A OCO-2 é, em grande medida, um experimento sobre como detectar traços de gases atmosféricos, como dióxido de carbono, com altíssima precisão. Aprimorando a capacidade de fazer isto com a Terra apontará o caminho em diante para estender tais observações para os exoplanetas, onde nós realmente estaremos procurando por uma agulha no palheiro.

Infrared data from the Subaru Telescope in Hawaii allowed for the direct imaging of the exoplanet GJ 504, seen here as a dot in the upper right. To have a chance of picking out the planet from the overwhelming brightness of its host star, the star, at the center of the image, has been masked. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/NAOJ

Dados em infravermelho do Telescópio Subaru no Havaí permitiram a primeira captação direta de imagem do exoplaneta GJ 504, visto aqui como um ponto no canto superior direito. Para ter uma chance de escolher o planeta no brilho ofuscante de sua estrela hospedeira, a estrela no meio da imagem, foi mascarada. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA /NAOJ

O grande desafio é claro, é que tão pouca luz dos exoplanetas alcança as vizinhanças do planeta Terra. As partículas de luz, chamadas fótons, têm de viajar por uma longa estrada antes de sibilar em um espelho ou um detector em nossos telescópios. Além disso, para os tipos de observações de exoplanetas que podemos esperar para as próximas uma ou duas décadas, incluindo os trânsitos planetários ou os discos planetários parcialmente resolvidos, apenas uma pequena fração dos fótons coletados terão atravessado a atmosfera do planeta e registrado as assinaturas espectrais de seus gases.

‘Estes são fótons preciosos – você pode colocar um valor em dólar para cada um deles’, afirma Crisp.

Com tão poucos fótons para se trabalhar, nenhum deve ser desperdiçado. O desenvolvimento da OCO-2, ajudou neste sentido ao examinar o alcance dos fótons que podem ser estudados de forma útil. Ao invés de apenas monitorar os gases padrão-industrial na luz infravermelha, que é mais próxima da luz visível que nossos olhos vêm. Crisp afirmou que o projeto OCO-2 contribuiu para uma ‘revolução na nossa compreensão’ da absorção por moléculas atmosféricas nesta parte do espectro.

Para o futuro estudo de exoplanetas, realizar medições semelhantes em comprimentos de onda da luz visível e até do ultravioleta melhorará o rendimento dos fótons úteis e o conjunto de espécies moleculares e propriedades atmosféricas que podem ser detectados.

‘Estamos fazendo avanços significativos na capacidade de analisar os dados que estamos coletando de exoplanetas’, disse Crisp.

Tome um para conhecer um

Outro grande benefício astrobiológico da OCO-2 e das missões de ciências da Terra é estabelecer bases para comparação. Modelos climáticos da Terra foram melhorados aplicando-os para Marte e Vênus, os vizinhos mais próximos da Terra tanto em proximidade quanto em tamanho planetários. Os processos físicos inclusos nestes modelos foram então refinados para considerar os disparatados climas destes reinos.

‘É uma via de duas mãos’, disse Crisp. ‘Nós aprendemos tanto sobre os processos físicos operando em outros planetas aqui nosso Sistema Solar através da compreensão destes processos operando na atmosfera da Terra. E se a física do meu modelo climático tiver de cobrir tudo isso, de Vênus à Terra e Marte, ele será um modelo melhor.’

A habitable zone planet, Kepler-69c, in an artist's impression. The world is probably an inhospitable "super-Venus," but then again, it might be habitable, depending on the character of its atmosphere. Credit: NASA Ames/JPL-Caltech

Um planeta na zona habitável, Kepler-69c, em uma expressão artística. O mundo é provavelmente um inóspito ‘super-Vênus’, mas novamente, ele pode ser habitável dependendo do caráter de sua atmosfera. Crédito: NASA Ames/JPL-Caltech

Saber mais a respeito da Terra, então, ajuda a saber mais sobre o que está acontecendo na atmosfera de outro planeta e vice-versa. Para identificar os sinais indiretos de vida nas atmosferas de outros mundos, uma compreensão mais sólida das complexidades dos gases indicadores da Terra será essencial.

‘Conhece a ti mesmo’, disse Crisp, citando o antigo aforismo grego, ‘mas também conheça os seus vizinhos’.

O que a OCO-2 disser sobre o ciclo de carbono da Terra informará e será informado por avanços paralelos na investigação da atmosfera de exoplanetas.

‘Temos toda esta nova coleção de planetas e ambientes para estudarmos’, falou Crisp.

Até hoje, nosso estudo de atmosferas exoplanetárias foi amplamente confinada ao mais facilmente estudado tipo de exoplaneta, o Júpiter quente. Estes mundos, como seu nome implica, são grandes, gasosos e orbitam bem mais próximos de suas estrelas. Assim, Júpiteres quentes oferecem consideravelmente mais fótons com impressões atmosféricas para capturarmos e juntarmos do que os mundos semelhantes à Terra que são mais frios, comparativamente mal iluminados e em órbitas mais distantes.

Novos telescópios, como o James Webb Space Telescope (Telescópio Espacial James Webb) trará tais pequenos achados para dentro do alcance espectroscópico. Com o continuado desenvolvimento no caminho da OCO-2, deveremos estar em uma posição de maximizar nossa colheita fotônica.

‘Esperamos que as técnicas que estamos desenvolvendo estejam ficando boas o suficiente para sermos capazes de começar a ver as atmosferas de exoplanetas em mais detalhes’, afirmou Crisp. ‘Atualmente estamos vendo Júpiteres quentes, mas quando começarmos a ver atmosferas de exoplanetas semelhantes à Terra, tudo se tornará ainda mais crítico.’


 

Tradutor: Bruno Martini

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