Tirar medidas às estrelas: um passo fundamental para saber como são as outras “Terras”

Existem estrelas de diversos tamanhos, massas e idades. Conhecê-las com elevada confiança é essencial para extrair informação correta sobre os planetas que existam à sua volta. Créditos: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (KBRwyle)

Uma equipa internacional liderada pelo Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) está a definir como a missão PLATO, da Agência Espacial Europeia, irá extrair o máximo de informação sobre um conjunto de estrelas-alvo do satélite.

A partir de 2026, a missão espacial PLATO, da Agência Espacial Europeia (ESA), vai lançar-se na procura de outros mundos como a Terra escondidos na luz de estrelas semelhantes ao Sol.

Uma equipa1 internacional, liderada por Margarida Cunha, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA2) e da Universidade do Porto, realizou um estudo3 comparativo dos melhores métodos disponíveis para inferir propriedades, como massa, tamanho e idade, de estrelas nas quais o satélite PLATO venha a descobrir alguma “Terra” em órbita. Este estudo, publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, estabelece ainda expectativas quanto à eficácia dos métodos atuais para extrair informação dos dados desta futura missão da ESA.

“Para caracterizar planetas semelhantes à Terra é necessário determinar com grande confiança os seus raios e as suas massas”, diz Margarida Cunha. “Contudo, os métodos utilizados para essa determinação só nos permitem medir o raio e a massa do planeta por comparação com o raio e a massa da sua estrela. Desta forma, uma maior incerteza nas propriedades da estrela reflete-se diretamente numa maior incerteza nas propriedades do planeta.”

Conceções artísticas de dois planetas rochosos, não muito diferentes da Terra em tamanho e massa.
Conceções artísticas de dois planetas rochosos, não muito diferentes da Terra em tamanho e massa. O planeta à esquerda está coberto de lava escura, enquanto o planeta à direita poderá ter água líquida à superfície. Para conhecer em detalhe a natureza de planetas como estes, é necessária uma boa caracterização das suas estrelas anfitriãs.

Créditos: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC) (esquerda), e NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech (direita)

No caso da Terra e do Sol, a nossa estrela tem um raio cem vezes maior, e é centenas de milhares de vezes mais massiva do que o nosso planeta. Para que os cientistas consigam dizer como é o interior das “Terras” que serão descobertas nos dados do PLATO e, em última análise, conhecer o seu potencial para a sustentação de vida, terão de detetar diferenças mínimas entre estrelas aparentemente semelhantes.

“Este estudo demonstra que a confiança com que as propriedades das estrelas serão inferidas, utilizando métodos atuais, é suficiente para garantir o sucesso dos objetivos científicos da missão.”
Margarida Cunha

Os investigadores criaram simulações de seis estrelas imaginárias a partir de modelos físicos que descrevem como estas grandes bolas de plasma funcionam. As simulações permitem mimetizar as flutuações na quantidade de luz observada à superfície da estrela e que resultam da propagação de ondas acústicas, ou sísmicas, no seu interior.

Estas flutuações, que contêm informação sobre as propriedades da estrela em questão e serão medidas em estrelas reais pelo satélite PLATO, são o objeto de estudo da asterossismologia4. Contudo, é necessário garantir que essa informação é extraída de forma exata para cumprir os objetivos científicos do PLATO.

De modo independente, a equipa aplicou cinco métodos para inferir as propriedades originais das estrelas simuladas, métodos que utilizam, precisamente, as flutuações lumínicas, ou seja, os dados sísmicos simulados. 

Métodos na base dos algoritmos da pipeline do Plato
A figura mostra, para cada estrela simulada e para cada propriedade (massa, raio e idade), as diferenças relativas entre os valores inferidos pelos diversos métodos utilizados no estudo e os valores verdadeiros destas propriedades, utilizados na simulação da respetiva estrela.
Na parte inferior, são mostrados os intervalos de confiança a 68% para as diferenças relativas mostradas na parte superior da figura.
É percetível que a determinação da idade das estrelas, e portanto o seu estágio de vida, é a que apresenta a maior incerteza.

Créditos: IA/José Marques

De entre os principais resultados, destaca-se a conclusão de que os modelos físicos que descrevem as estrelas, e que estão na base dos métodos atualmente disponíveis, podem introduzir erros nos valores inferidos para as propriedades estelares. Por outro lado, identificaram-se desafios relacionados com as estrelas menos brilhantes, para as quais a qualidade da informação que será possível extrair a partir dos dados do PLATO é mais limitada. 

“Ambos os casos apontam para a necessidade de realizar trabalho adicional com vista a otimizar a exploração dos dados que serão recolhidos pelo PLATO”, sublinha Margarida Cunha, “mas este nosso estudo demonstra que a confiança com que as propriedades das estrelas serão inferidas, utilizando métodos atuais, é suficiente para garantir o sucesso dos objetivos científicos da missão.”

Conceção artística do satélite PLATO
Conceção artística do satélite PLATO, que a partir de 2026 ajudará a procurar planetas semelhantes à Terra em órbita de estrelas semelhantes ao Sol.

Créditos: ESA/ATG medialab (satélite) e ESO/L. Calçada (estrela em fundo)

Este trabalho está a servir de base para a definição dos algoritmos que irão tratar e analisar automaticamente os dados da missão, em particular, no que se refere à determinação do raio (tamanho), massa e idade das estrelas para as quais se irão obter dados sísmicos.

“Este estudo é um valioso contributo para definir uma das componentes da cadeia de processamento de dados responsável pela caracterização das estrelas observadas pelo PLATO, o Sistema de Análise Estelar”, comenta Tiago Campante (IA & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto) e membro da equipa do Centro de Dados do PLATO (PDC5). “Os membros do PDC terão já em 2022 a tarefa de passar à fase de implementação o algoritmo correspondente.”

As observações do satélite PLATO permitirão também avançar o conhecimento sobre a evolução das estrelas, afirma Margarida Cunha. “Há aspetos da física das estrelas em que o conhecimento atual ainda é pouco preciso. Um exemplo é o transporte e a mistura dos elementos químicos no seu interior. Os dados do PLATO vão ser muito importantes neste campo, o que terá um impacto significativo noutras áreas da Astrofísica onde o que sabemos sobre a evolução estelar tem um papel fundamental.”

A missão PLATO conta também com notável participação científica nacional, liderada pelo IA, ao nível do estudo de exoplanetas e do desenvolvimento de instrumentos para o satélite.

Notas

  1. Da equipa internacional fazem parte os investigadores do IA Margarida S. Cunha, Benard Nsamba, Tiago Campante, Miguel T. Clara, e Mário J. P. F. G. Monteiro.
  2. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) é a instituição de referência na área em Portugal, integrando investigadores da Universidade de Lisboa, Universidade de Coimbra e Universidade do Porto, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação de unidades de investigação e desenvolvimento organizada pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UIDB/04434/2020 e UIDP/04434/2020).
  3. O artigo “PLATO hare-and-hounds exercise: asteroseismic model fitting of main-sequence solar-like pulsators”, foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Nº 4 (DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2886).
  4. A asterossismologia é o estudo do interior das estrelas através da sua atividade sísmica medida à superfície. Em sismologia, os diferentes modos de vibração de um tremor de Terra podem ser usados para estudar o interior da Terra, ao fornecerem dados acerca da composição e profundidade das diversas camadas. De forma semelhante, as oscilações observadas à superfície de uma estrela podem ser usadas para inferir dados sobre a sua estrutura interna, composição e idade.
  5. As atividades do Centro de Dados do Plato (Plato Data Centre, PDC) são financiadas por um projecto no âmbito do programa PRODEX, o qual oferece às instituições e indústria a oportunidade de trabalhar em missões e instrumentação da ESA. O programa PRODEX visa ajudar os países a obter retornos do seu investimento e a promover a excelência e a competitividade ao nível científico e industrial.

Contactos
Margarida Cunha, Tiago Campante

Grupo de Comunicação de Ciência
Ricardo Cardoso Reis; Sérgio Pereira; Filipe Pires (coordenação, Porto); João Retrê (coordenação, Lisboa)