A Descoberta de Planetas Fora do Sistema Solar

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A Descoberta de Planetas Fora do Sistema Solar
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1 - O que motiva a busca de planetas fora do
Sistema Solar?

• Compreensão da origem do nosso Sistema Solar.
• Resposta à pergunta o nosso Sistema Solar é um
  capricho do Universo, ou é um entre muitos?
• Em caso positivo, existem planetas semelhantes à
  Terra?
• Há VIDA fora da Terra?

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2 - Uma revisão do Sistema Solar

• 2.1 - Componentes do Sistema Solar
• Sol
• Planetas
• Interiores Mercúrio, Vênus, Terra e Marte
• Exteriores Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e
  Plutão
• Asteróides
• Ceres, Pallas, Vesta, Juno, e muitos outros
• Cinturão de Kuiper
• Cometas
• Nuvem de Oort

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• 2.2 - Leis de Kepler
• 2.2.1 - Primeira Lei
• Os planetas giram em torno do Sol descrevendo
  órbitas elípticas, das quais o Sol ocupa um dos
  focos.

A excentricidade varia entre 0 e 1 quanto mais
próxima de zero, mais a órbita se parece com uma
circunferência, e quanto mais próxima de um, mais
a órbita é uma elipse alongada.
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• 2.2 - Leis de Kepler
• 2.2.2 - Segunda Lei
• A reta que une um planeta ao Sol varre áreas
  iguais em tempos iguais.

Em outras palavras, se tAB tCD, então A1 A2.
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• 2.2 - Leis de Kepler
• 2.2.3 - Terceira Lei
• Os quadrados dos períodos de revolução dos
  planetas são proporcionais aos cubos dos
  semi-eixos maiores de suas órbitas.

Ou seja, quanto mais distante está o planeta do
Sol, mais tempo ele leva para completar uma
órbita.
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2.3 - Alguns dados do Sistema Solar2.3.1 - Dados
físicos dos planetas
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2.3.2 - Dados das órbitas dos planetas
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2.3.3 - Características do nosso Sistema Solar

• Os planetas orbitam a estrela todos no mesmo
  sentido.
• Os planetas orbitam todos em um mesmo plano (com
  a exceção de Plutão).
• Os planetas têm órbitas quase circulares.
• Os planetas pequenos estão próximos da estrela,
  enquanto os grandes estão distantes.

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2.4 - Origens do Sistema Solar2.4.1 - Teoria de
Chamberlin-Moulton (1905)
De acordo com esta teoria, o Sistema Solar teria
se originado a partir de perturbações
gravitacionais provocadas pela passagem de uma
estrela próxima do Sol. Como conseqüência, o SS
seria uma exceção no Universo.
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2.4 - Origens do Sistema Solar2.4.2 - Teoria de
von Weizsäcker (1944)
De acordo com esta teoria, o Sistema Solar teria
se originado a partir de um disco de gás e poeira
que rodeava o Sol na época de sua formação, sendo
uma conseqüência natural da evolução da estrela.
Assim, sistemas planetários seriam comuns no
Universo.
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3 -Haveria vida no Sistema Solar, além da Terra?

• De todos os planetas, o único em que há alguma
  possibilidade real é Marte mas ao que parece,
  seria muito primitiva, se existir.
• Daí, mais um impulso para se procurar planetas em
  torno de estrelas semelhantes ao Sol.

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4- Como procurar planetas fora do SS?

• Pelos efeitos provocados no movimento da estrela
  pela órbita de um planeta.

Duas estrelas, ou um planeta e uma estrela,
orbitam em torno de seu centro de massa. A figura
mostra o exemplo de Alpha Centauri A e B.
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• Para compreender melhor, vejamos o movimento de
  uma estrela no céu.

A velocidade da estrela tem duas componentes
uma ao longo da linha de visada e outra
perpendicular a ela. A gravidade de um planeta
causa oscilações nas duas direções. As
transversais são procuradas pela astrometria. E
as radiais?
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• Vendo ainda de outro modo

O centro de massa do sistema não oscila
entretanto, tanto o planeta quanto a estrela
oscilam em torno dele. Assim, os astrônomos podem
descobrir o planeta observando a oscilação da
estrela em torno de centro de massa.
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• Por este processo (astrométrico), Bessel, em
  1844, descobriu que a estrela Sirius tem uma
  companheira de pouquíssimo brilho (hoje chamada
  Sirius B). O mesmo ocorre com Procyon.
• Mas com planetas, é difícil. O Sol, visto de 10
  anos-luz, oscilaria apenas 1,6 milésimos de
  segundo de grau, em virtude da presença de
  Júpiter.
• Um milésimo de segundo de grau espessura
  aparente de um fio de cabelo humano visto de
  cerca de quatro quilômetros de distância.
• O efeito é tanto maior quanto
• a) maior a massa do planeta
• b) mais distante estiver o planeta
• c) menor a massa da estrela.
• Naturalmente, tal método funciona melhor com
  estrelas mais próximas.

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• O Sol se moveria no espaço, em torno do centro
  de massa do SS, em virtude das órbitas de Júpiter
  e dos outros planetas. Como ele seria visto a
  partir de uma estrela situada a 33 anos-luz,
  sobre uma linha perpendicular ao plano das
  órbitas dos planetas em torno do Sol?

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• Astrometria ? descobertas de planetas em
  torno de 70 Ophiuchi e 61 Cygni (década de 40).
• NÃO CONFIRMADOS!
• O caso mais famoso a Estrela de Barnard.
• Descoberta em 1916 por Edward Emerson Barnard é
  a estrela de maior velocidade aparente no céu.
  Dista 6,0 anos-luz do Sol.
• Entre 1966 e 1969, Peter van de Kamp (que a
  observava desde 1938) propôs que havia planetas
  em órbita dela.
• DECEPÇÃO!
• O método astrométrico mostra ser difícil, e
  precisa de aperfeiçoamentos ? telescópios
  espaciais.

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5- A coisa começa a esquentar! O caso Vega

• Em agosto de 1983, através do IRAS (Infrared
  Astronomical Satellite), descobre-se que Vega
  está emitindo uma radiação infravermelha muito
  maior do que o esperado ? anel de poeira em
  órbita, com partículas de tamanho razoável (na
  casa dos milímetros, e maiores).
• Achados idênticos em Fomalhaut, Beta Pictoris,
  etc.
• SISTEMAS PLANETÁRIOS EM FORMAÇÃO?
• Isso foi possível de se ver em estrelas de
  grande luminosidade ? aquecem mais a poeira ?
  emissão de IV mais de 10 x acima do esperado.
• Já em estrelas tipo-Sol seria difícil ver isso
  o nosso sistema planetário produz uma emissão de
  IV apenas 1 maior do que a que o Sol emite por
  conta própria.

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6- O método Doppler

• Já ficou dito que outra técnica seria buscar
  variações na vradial da estrela. Recordando

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• A luz das estrelas, após passar por um prisma
  ou uma rede de difração, se espalha em seus
  vários comprimentos de onda, mostrando lacunas
  chamadas raias de absorção.
• Cada raia tem um comprimento de onda bem
  definido

Quando a fonte se afasta ou se aproxima do
observador, esse l é alterado, respectivamente,
para valores maiores ou menores. É o efeito
Doppler. Vejamos uma figura que mostra isto.
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O efeito Doppler

• Uma estrela emite ondas de luz que ficam
  empilhadas ou alargadas se ela se move. Para
  o observador em relação ao qual ela se aproxima,
  elas ficam com o l menor para o outro observador
  em relação ao qual ela se afasta, percebe-se um l
  maior. Com a diferença em relação ao valor em
  repouso, é possível saber-se a velocidade
  (radial) da estrela em relação ao observador!

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Resumindo

• A velocidade será dada pela expressão acima. A
  dificuldade é medir com precisão a diferença l1
  - l1.
• Astrometria melhor para detectar planetas
  longe de suas estrelas (órbitas mais amplas e
  mais lentas em torno do CM).
• Doppler melhor para descobrir planetas mais
  próximos (órbitas mais apertadas e mais curtas em
  torno do CM).

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Vantagem do Doppler

• Não há problema de a estrela estar mais
  distante ou mais próxima o efeito será o mesmo.

Desvantagem do Doppler
Por não medir a amplitude da oscilação da
estrela, não pode determinar a massa do planeta.
O que se vê é um valor mínimo.
A busca começa
A precisão que existia para medições dessa
velocidades 1 km/s. Mas para descobrir Júpiter a
partir de uma estrela, seria necessário medir
variações de velocidade de 12,5 m/s! Desde 1980
que se busca tal precisão. Vários grupos chegaram
a precisão de 15 m/s.
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7- Surpresa! Em 1991, os primeiros PEs!
Mas que achado! Em dezembro de 1991, Alex
Wolszczan e Dale Frail comunicam a descoberta de
três planetas em torno do pulsar PSR B125712.
Perplexidade! O que é um pulsar? É o resultado
do colapso gravitacional de uma estrela que
inicia sua vida estelar com massa entre 11 e 50
Msol. Isso gera uma estrela de nêutrons. Há
grandes evidências de que elas têm uma rotação
elevadíssima (várias vezes por segundo) e
irradiam fortemente numa dada direção. Quando
o feixe de ondas de rádio passa pela Terra, ele é
captado como se estivesse piscando. Daí veio o
nome pulsar (oriundo de pulsating radio
source). Hoje são conhecidos mais de 800
pulsares.
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O período normal de um pulsar varia de
aproximadamente 1 segundo a até 0,03 s. Mas há
alguns que têm períodos muito menores, na faixa
de milisegundos. É o caso do pulsar PSR B125712,
na constelação de Virgem, a 1300 anos-luz da
Terra. Seu período é 6,2 milisegundos. Mas esse
período mostrava variações no tempo. Wolszczan e
Frail demonstraram que isso era explicado pela
existência de três planetas.
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Esquema do Sistema Planetário de PSR B125712
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8 - Efeito Doppler o retorno

• Outubro de 1995 SUCESSO! Didier Queloz e
  Michel Mayor, suíços, descobrem o primeiro
  planeta em torno de uma estrela semelhante ao
  Sol. Mas que planeta!

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Propriedades do primeiro planeta de Mayor e Queloz
Estrela 51 Pegasi, quase gêmea do Sol.
Distância do Sol 50 anos-luz Massa do planeta
0,6 MJ. Período da órbita 4,2 dias. Raio da
órbita 0,05 UA (1/8 do raio da órbita de
Mercúrio). Temperatura superficial estimada
1000C.
O planeta em torno de 51 Pegasi dista da estrela
apenas cinco diâmetros estelares. Para
comparação, Mercúrio dista do Sol um pouco mais
de 40 diâmetros solares.
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Entram em cena Geoffrey Marcy e Paul Butler
Após anos de trabalho, melhoraram a técnica para
medir variações de velocidade de apenas 3
m/s! Desvantagem o cálculo de cada velocidade
de uma estrela leva horas de computador! Mas os
dois rapidamente passam a também descobrir
planetas. Até agora, sete!
Em resumo
A técnica Doppler tem sido um sucesso, e é a
única forma viável, no momento, de descobrir
planetas extra-solares.
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9- Resultados
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10 - Análise de casos
Vejamos o caso de 47 Ursae Majoris, que tem um
planeta de órbita quase circular. Sua curva de
velocidade radial é
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10 - Análise de casos
Agora, o caso de 16 Cygni B, cujo planeta tem
órbita acentuadamente elíptica. Eis sua curva de
velocidade radial
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10 - Análise de casos
Vejamos uma representação de sua órbita,
superposta ao Sistema Solar, com o Sol na posição
da estrela
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11 - Alguns dados dos novos planetas
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12 - Pesquisas futuras

• Concentração em estrelas G e K
• Aperfeiçoamento dos métodos astrométrico e
  Doppler
• Método fotométrico ocultação da estrela por
  planeta (bom para detectar planetas de dimensões
  semelhantes às da Terra, mesmo com tecnologia
  atual)
• Extensão da busca a instrumentos localizados no
  espaço vários separados atuariam muito bem
• Preocupação com a vida perto de nós, Europa! E
  as luas em torno de outros planetas. Veja 16
  Cygni B e 47 Ursae Majoris, se lá houver luas.

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(No Transcript)