Exoplanetas 20/20: Olhando de volta para o futuro | Exoplanets 20/20: Looking Back to the Future

Concepção artistica de um planeta do tamanho de Júpiter e sua estrela-mãe, ligeiramente menor do que o Sol. Foto: ESO

Geoff Marcy se recorda dos cabelos em pé atrás de seu pescoço. Paul Butler lembra de quando estava morto de cansaço. Esses dois homens haviam acabado de fazer história: a primeira confirmação de um planeta orbitando outra estrela.

A inédita descoberta havia sido anunciada pouco menos de uma semana antes pela equipe europeia de Michel Mayor e Didier Queloz. Mas a notícia fora inicialmente recebida com algum cetismo pela comunidade astronêmica. Por um golpe de sorte, aconteceu de Marcy e Butler terem programado anteriormente uma hora de observação em um telescópio de 120 polegadas no Observatório Lick, no topo do Monte Hamilton, na Califórina.

Os cientistas, que viriam a se tornar dois dos mais famosos caçadores de planetas de todo o mundo, se recordam da ocasião em que dirigiam juntos montanha abaixo, em  outubro de 1995. Eles então passariam quatro noites  seguidas fazendo suas observações. E embora fosse necessário um processamento posterior para formar o exemplo científico, Seus dados pareciam claros e inconfundíveis — e quase impossíveis. Um enorme planeta com, pelo menos, a metade do tamanho de Júpiter, não apenas estava orbitando sua estrela-mãe de forma mais  próxima do que Mercúrio ao redor do Sol, como corria ao redor dela, completando uma órbita em apenas quatro dias.

O planeta, chamado 51 Pegasi b, inauguraria uma nova era na exploração, pela humanidade, de nossas vizinhanças galácticas. Aquele seria o primeiro de uma série de "Júpiteres quentes"— planetas gigantescos em órbitas aceleradas a apertadas — descobertos em uma rápida sequência. Uma  corrida em busca de novos mundos levaria Marcy, Butler e suas equipes de pesquisadores aos holofotes da mídia, e mudaria para sempre nossa visão do cosmos.

'Uma experiência emocionante'

Mas naquele momento, naquele solene trajeto montanha abaixo, Marcy e Butler estavam sozinhos com suas notícias  que mudariam o mundo. "Nós sabíamos que éramos as únicas pessoas do planeta a terem certeza de que 51 Peg, o planeta, realmente existia,"Recentemente, Marcy disse: "Foi hilariante.  Nós estávamos absolutamente emocionados por sabermos que um momento histórico científico estava ocorrendo bem diante de nossos olhos. Foi uma experiência realmente emocionante."

Ainda assim, os pioneiros astronômicos teriam de enfrentar algumas dificuldades para conquistarem a aceitação da comunidade científica. A procura por planetas extrassolares — exoplanetas, abreviadamente — tinha um histórico muito pobre, com décadas de falsas detecções. Dentre elas havia a emocionante descoberta de um planeta orbitando a estrela de Barnard, no anos 1960, que acabou se revelando ter sido apenas uma despercebida troca da lente de um telescópio. Quando se deram conta da troca, o "planeta" desapareceu.

No começo da década de 90, houve uma real detecção de " planetas pulsares," mas eles pareciam estranhos demais para serem levados em conta, pois orbitavam um remanescente estelar emitente de radiações, com uma rotação muito veloz, chamado pulsar. A maioria dos cientistas  reservaria a designação de "primeiro" para um planeta que orbitasse uma estrela normal.

"Todos  demonstravam uma sensação de desconfiança em relação a ele," disse Butler em uma recente entrevista. "Durante mais ou menos os primeiros cinquenta anos, houveram muitos anúncios de descobertas, todas elas comprovadamente erradas. Se nós fôssemos a um encontro e disséssemos que estávamos procurando planetas extrassolares, poderíamos também dizer que estávamos procurando por homenzinhos verdes."

Até Marcy reagiu ao anúncio de 51 Peg, feito durante uma conferência científica em Florença, Itália, por Mayor e Queloz, com um pouco de  tédio — no começo.

"Esta afirmação de 6 de outubro de 1995, do primeiro planeta até então descoberto foi mio que algo corriqueiro," disse ele. "Eis outro alarme falso. Esta é uma notícia mais obviamente falsa. O período orbital é tido como de 4,3 dias. Ninguém em sã consciência acharia que algum planeta poderia orbitar uma estrela tão de perto."

Mas as quatro noites de observações no Observatório Lick Observatory — coincidindo perfeitamente com a órbita de quatro dias de 51 Peg' — mudaram tudo. As equipes de Mayor e Marcy tinham estado tentando desenvolver uma técnica caça-planetas com base em estrelas oscilantes. As oscilações, chamadas "velocidade radial" da estrela," eram induzidas pelo empuxo gravitacional de planetas em órbita. O comprimento de onda da luz estelar era comprimeido, depois esticado, quando a estrela se movia na direção dos telescópios dos astrônomos e deles se afastava.

Agora, Mayor e Queloz haviam provado que a técnica funcionava. E alguns dias depois, Marcy e Butler validaram tanto o método usado pela equipe de Mayor quanto o método de detecção deles próprios, bastante similar.

Mas Marcy  e sua equipe perceberam algo mais. A única coisa que os havia impedido de bater o grupo de Mayor naquela primeira detecção foi uma presunção perfeitamente razoável: a de que grandes planetas se moviam em órbitas lentas, como os 12 anos que Júpiter levava para completar uma volta em torno do Sol.

Ou eles teriam de observar estrelas por muito tempo, ou, teriam de refinar seu detector de oscilações até que ele pudesse captar as tão minúsculas variações na posição das estrelas causadas por planetas muito pequenos em órbitas mais próximas e rápidas.

Eles estavam trabalhando nesse tipo de refinamento quando Mayor anunciou sua descoberta. O mais importante é que eles haviam estado registrando observações com seu dispositivo detector de oscilações, chamado espectrógrafo. É claro que, quando eles deram outra olhada, grandes planetas envolvendo estrelas começaram a surgir através de seus dados.

Planetas mesmo

Em um encontro da Sociedade Astronômica Americana em janeiro de 1996, Marcy anunciou a descoberta de mais dois planetas: 70 Virginis e  47 Ursae Majoris.O primeiro tinha uma órbita de 116 dias — muito mais razoável do que os escaldantes quatro dias de 51 Peg — e sua órbita era elíptica, tornando improvável que ele fosse outra coisa que não um planeta. A órbita de 47 Ursae Majoris era ainda mais razoável: 2,5 anos. Juntos, eles  forneciam uma "ponte" para nosso sistema solar, disse Marcy, com planetas comportando-se como verdadeiros planetas.

As descobertas deram a Marcy e sua equipe o status de celebridades científicas, aparecendo em noticiários noturnos de TV por todo o país; seu novos  planetas chegaram até a ser capa da revista Time.

E a equipe Marcy-Butler estava só fazendo o aquecimento. As comportas foram abertas. Eles descobriram ao menos 70 dos primeiros 100 exoplanetas que foram encontrados nos anos seguintes. Seu pioneiro safari de caça a planetas continuou por uma década. Logo, no entanto, a paisagem mudaria ainda mais uma vez.

A caça ao ouro pela descoberta de planetas  deu um salto adiante com o lançamento do Telescópio Espacial Kepler, em 2009. Esta espaçonave se instalou em uma órbita que segue a Terra, e então fixou seu olhar em um pequeno trecho do céu — e o manteve assim por quatro anos.

Naquele trecho havia mais de 150.000 estrelas, uma espécie de seção cruzada de um braço da nossa Via Láctea, como se o Kepler estivesse projetando a luz de um farol marítimo pelo espaço profundo. O Kepler estava à procura de trânsitos planetários — a infinitamente minúscula redução da luz solar que ocorre quando um planeta cruza o disco da estrela que orbita.

O método só funciona no caso de sistemas solares distantes em que as órbitas de seus planetas, da nossa perspectiva, sejam vistas de lado. Desta forma, o exoplaneta é visto em silhueta ao passar entre o Kepler e sua estrela-mãe, reduzindo a luz solar medida pelo Kepler.

The fifth time's the charm

O Kepler foi uma invenção de William Borucki, do Centro Ames de Pesquisas Científicas da MASA em Moffet Field, Califórnia. Borucki, que se aposentou no começo de julho de 2015, obstinadamente insistiu no Kepler. Durante a década de 1990, os projetos que ele apresentou foram rejeitados nada menos que quatro vezes. Em 2001, ele finalmente obteve a aprovação da NASA.

Mas ninguém sabia o que o Kepler poderia descobrir, ou mesmo se descobriria algo.

"Nós lançamos o Kepler, de certa forma, como Fernão de Magalhães ou Cristóvão Colombo foram ao mar, sem saber ao certo o que haveriam de encontrar," disse James Fanson, subgerente  da Divisão de Instrumentos  do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia. Fanson era gerente de projeto do Kepler quando a espaçonave foi lançada.

"Nós sabíamos que iríamos fazer história," disse. "Só não sabíamos que tipo de história seria."

No entanto a observação de trânsitos feita pelo Kepler compensou, permitindo identificar mais de 4.600 possíveis planetas distantes centenas de milhares de anos-luz. Até agora, 1.028 deles foram confirmados — alguns dos quais planetas do tamanho da Terra, orbitando suas estrelas-mães dentro da chamada zona habitável, onde é possível haver água em estado líquido. Os cientistas ainda estão garimpando dados do Kepler, constantemente descobrindo novos possíveis planetas e confirmando descobertas mais recentes.

O Kepler em si encerrou sua missão inicial em 2013, quando duas das quatro rodas de reação utilizadas para manter  a espaçonave em posição estável falharam. Mas a equipe científica do Kepler desenvolveu meios mais inteligentes de continuar extraindo dados úteis do telescópio espacial, contando com a sutil pressão da luz solar para estabilizá-lo em um eixo. O Kepler está agora em sua segunda fase  de vida, e ainda está descobrindo planetas.

Precedendo o  Kepler houve o inovador satélite COROT, um empreendimento Europeu lançado em 2006, que descobriu inúmeros planetas antes de parar de funcionar, em 2012 —inclusive o primeiro planeta rochoso  orbitando uma estrela semelhante ao Sol. O COROT usava o método de trânsito para detectar exoplanetas, e foi a primeira missão espacial dedicada àquela finalidade.

As  produtivas descobertas ainda produzidas pelo telescópio Espacial Hubble  incluem não só  exoplanetas, mas também caracterizações de atmosferas de exoplaneta, identificando uma variedade de gases.E o  Telescópio Espacial Spitzer identificou vapor de água em atmosferas exoplanetárias, bem como padrões climáticos.

Tanto o método de oscilação quanto o de trânsito, do qual dependiam os pioneiros pesquisadores de exoplanetas, ainda são utilizados atualmente, juntamente com várias outras técnicas. E 20  anos depois da primeira descoberta, o total de prováveis exoplanetas ultrapassa 5.000, com mais de 1.800 deles  confirmados.

Uma nova realidade

A galáxia, ao que parece, está lotada de planetas. Mesmo assim, nós ainda não somos capazes de responder a grande pergunta: Nós estamos sós?

Uma nova geração de telescópios nos próximos anos e décadas, em terra e no espaço, irá continuar a busca por uma resposta. Uma ferramenta fundamental para isso será a mesma usada pioneiramente por Marcy e demais caçadores de planetas: a espectroscopia. Eles usam esse método para dissecar a luz proveniente de estrelas distantes, revelando sua oscilação para a frente e para trás, induzida pelo balanco de planetas quando a luz estelar era estirada e comprimida; a mais nova geração de instrumentos ira fazer o mesmo com a luz proveniente da atmosfera de exoplanetas. A divisão desta luz planetária em suas partes constituintes, mais ou menos como as cores do arco-íris formado pela luz solar ao passar através de um prisma, deverá revelar quais gases e substâncias químicas estão presentes naqueles céus alienígenas.

E algum dia, algum desses constituintes atmosféricos poderá indicar a presença de vida muito além do planeta Terra.


Tradução de Luiz Leitão da Cunha

Geoff Marcy remembers the hair standing up on the back of his neck. Paul Butler remembers being dead tired. The two men had just made history: the first confirmation of a planet orbiting another star.

The groundbreaking discovery had been announced less than a week earlier by the European team of Michel Mayor and Didier Queloz. But the news was met with some initial skepticism in the astronomical community. By a stroke of good luck, Marcy and Butler happened to have previously scheduled observation time on a 120-inch telescope at the Lick Observatory, atop California's Mount Hamilton.

The scientists, who would become two of the world's most famous planet hunters, remember driving down the mountainside together in October 1995. They'd spent four straight nights making their observations. And while further processing would be needed to make the scientific case, their data seemed clear and unmistakable -- and almost impossible. A huge planet, at least half the size of Jupiter, was not only orbiting its host star more tightly than Mercury hugs the sun. It was racing around that star, making a complete orbit in just four days.

The planet, called 51 Pegasi b, would open a new era in humanity's exploration of our galactic neighborhood. It would be the first in a series of "hot Jupiters" -- giant planets in fast, tight orbits -- discovered in rapid succession. The rush of new worlds would propel Marcy, Butler and their research team into the media spotlight, and forever change our view of the cosmos.

'A spine-tingling experience'

But for the moment, on that solemn drive down the mountainside, Marcy and Butler were alone with their world-altering news. "We knew we were the only people on the planet to be sure that 51 Peg, the planet, really did exist," Marcy said recently. "It was exhilarating. We were absolutely thrilled to know an historic moment in science history was happening before our eyes. It was a truly spine-tingling experience."

Still, the astronomical pioneers had a few struggles ahead to gain the acceptance of the scientific community. The hunt for extrasolar planets -- exoplanets, for short -- had a poor track record, with decades' worth of false detections. Among them was the thrilling discovery of a planet orbiting Barnard's star in the 1960s; it turned out to be an unnoticed shift of a telescope lens. Once the shift was accounted for, the "planet" disappeared.

The early '90s had seen the actual detection of "pulsar planets," but these seemed too strange to count, orbiting a rapidly spinning, radiation-spewing stellar remnant called a pulsar. Most scientists would reserve the "first" designation for a planet orbiting a normal star.

"The whole field had a snake-oil sort of feel to it," Butler said in a recent interview. "For the previous fifty years or so, there were many announcements, all proved to be wrong. If we went to a meeting and said we were looking for extrasolar planets, we might as well have said we were looking for little green men."

Even Marcy greeted the announcement of 51 Peg, made at a scientific conference in Florence, Italy, by Mayor and Queloz, with a bit of a yawn -- at first.

"This claim on October 6, 1995, of the first planet ever discovered was sort of business as usual," he said. "Here's another false claim. This one is more obviously a false claim. The orbital period is claimed to be 4.3 days. Nobody in their right mind thought planets could orbit so close to a star."

But the four nights of observations at the Lick Observatory -- perfectly coinciding with 51 Peg's four-day orbit -- changed all that. Both the Mayor and Marcy teams had been trying to develop a planet-hunting technique based on wobbling stars. The wobbles, known as the star's "radial velocity," were induced by the gravitational tugs of orbiting planets. The starlight wavelength was compressed, then stretched, as the star moved toward and away from astronomers' telescopes.

Now, Mayor and Queloz had proven that the technique worked. And a few days later, Marcy and Butler validated both the method used by Mayor's team and their own very similar detection method.

But Marcy and his team realized something more. The only thing that had kept them from beating Mayor's group to that first detection was a perfectly reasonable assumption: that big planets moved in stately orbits, like the 12 years it took Jupiter to take one lap around the sun.

Either they would have to watch stars for a very long time, or they would have to refine their wobble detector until it could pick up the very tiny shifts in a star's position caused by small planets in tighter, faster orbits.

They were working on just this type of refinement when Mayor announced his discovery. More importantly, they had been recording observations with their wobble-detecting device, known as a spectrograph. Sure enough, when they took another look, big, star-hugging planets began popping out of their data.

Planets proper

At a meeting of the American Astronomical Society in January 1996, Marcy announced two more planet discoveries: 70 Virginis and 47 Ursae Majoris. The first had a 116-day orbit -- far more reasonable than 51 Peg's scorching four days -- and its orbit was elliptical, making it unlikely to be anything but a planet. The orbit of 47 Ursae Majoris was more reasonable still: 2.5 years. Together, they provided a "bridge" to our own solar system, Marcy said, with planets behaving themselves as proper planets should.

The discoveries vaulted Marcy and his team into scientific celebrity status, with appearances on nationwide nightly news shows; their new planets even made the cover of Time magazine.

And the Marcy-Butler team was just warming up. The floodgates were opened. They discovered at least 70 of the first 100 exoplanets that were found in the years that followed. Their pioneering, planet-hunting safari went on for a decade. Soon, however, the landscape would change yet again.

The gold rush of planet finding kicked into high gear with the launch of the Kepler Space Telescope in 2009. This spacecraft nestled into an Earth-trailing orbit, then fixed its eye on a small patch of sky -- and kept it there for four years.

Within that patch were more than 150,000 stars, a kind of cross-section of an arm of our own Milky Way galaxy, as if Kepler were shining a searchlight into deep space. Kepler was looking for planetary transits -- the infinitesimally tiny dip in starlight that occurs when a planet crosses the face of the star it is orbiting.

The method only works for distant solar systems whose planets' orbits, from our perspective, are seen edge-on. This way, an exoplanet is silhouetted as it passes between Kepler and its host star, reducing the starlight measured by Kepler.

The fifth time's the charm

Kepler was the brainchild of William Borucki of the NASA Ames Research Center in Moffet Field, California. Borucki, who retired in early July 2015, doggedly pressed his case for Kepler. During the '90s, his proposed designs were rejected no less than four times. He finally won approval from NASA in 2001.

But no one knew what Kepler might find, or even if it would find anything at all.

"We launched Kepler, to some extent, like Magellan or Columbus went to sea, not knowing quite what we were going to encounter," said James Fanson, deputy manager in the Instruments Division at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California. Fanson was Kepler's project manager when the spacecraft was launched.

"We knew we were going to make history," he said. "We just didn't know what history we were going to make."

Kepler's transit watch paid off, however, identifying more than 4,600 candidate planets hundreds to thousands of light-years distant. So far, 1,028 of those have been confirmed -- some of them Earth-sized planets that orbit within their star's so-called habitable zone, where liquid water can exist on a planet. Scientists are still mining Kepler data, regularly turning up new planetary candidates and confirming earlier finds.

Kepler itself ended its initial mission in 2013, when two of four reaction wheels used to keep the spacecraft in a stable position failed. But the Kepler science team developed clever ways to continue squeezing useful data out of the space telescope, relying on the subtle pressure of sunlight to stabilize it on one axis. Kepler is now in its second phase of life, and it's still discovering planets.

Preceding Kepler was the groundbreaking COROT satellite, a European venture launched in 2006 that discovered numerous planets before it ceased functioning in 2012 -- including the first rocky planet found to orbit a sun-like star. COROT used the transit method to detect exoplanets, and was the first space mission dedicated to that purpose.

The prolific discoveries still flowing from the Hubble Space Telescope include not only exoplanets, but characterizations of exoplanet atmospheres, identifying a variety of gases. And the Spitzer Space Telescope has found water vapor in exoplanetary atmospheres as well as weather patterns.

Both the wobble and transit methods, relied upon by the exoplanet pioneers, are still in use today, along with several other techniques. And 20 years after the first discovery, the exoplanet total is up to more than 5,000 candidates, with more than 1,800 of those confirmed.

A new reality

The galaxy, it seems, is crowded with planets. Yet we are not yet able to answer the big question: Are we alone?

A new generation of telescopes in the years and decades ahead, on the ground and in space, will continue to search for an answer. One critical tool will be the same one pioneered by Marcy and the other early planet hunters: spectroscopy. They used this method to dissect the light coming from distant stars, revealing their back-and-forth, planet-induced wobbling as the starlight was stretched and compressed; the newest generation of instruments will do the same thing to the light from the atmospheres of exoplanets. Splitting this planetary light into its constituent parts, a little like the rainbow colors of sunlight shining through a prism, should reveal which gases and chemicals are present in those alien skies.

And one day, some of those atmospheric constituents might suggest the presence of life far beyond planet Earth.