Astrônomos da UdeM descobrem uma maneira de medir mudanças de temperatura em uma estrela com precisão nunca vista antes, um avanço que promete ser particularmente útil para detectar e estudar exoplanetas.
Étienne Artigau, astrofísico da UdeM que liderou o desenvolvimento de uma técnica inovadora que fornece informações precisas sobre as variações de temperatura de uma estrela.
Crédito: Cortesia
Os astrônomos estudam estrelas observando as diferentes cores de luz que elas emitem – cores que elas capturam e analisam usando espectroscopia. Agora, uma equipe liderada por Étienne Artigau, da Université de Montréal, desenvolveu uma técnica que usa o espectro de uma estrela para mapear variações em sua temperatura até o décimo de grau Celsius mais próximo, em uma série de escalas de tempo.
“Ao rastrear a temperatura de uma estrela, podemos aprender muito sobre ela, como seu período de rotação, sua atividade estelar, seu campo magnético”, explicou Artigau, astrofísico do Instituto Trottier de Pesquisa em Exoplanetas (IREx) da UdeM. “Esse conhecimento detalhado também é essencial para encontrar e estudar os planetas de uma estrela.”
Em um artigo que será publicado em breve no The Astronomical Journal, Artigau e sua equipe demonstram a eficácia e versatilidade da técnica usando observações de quatro estrelas muito diferentes feitas com o Telescópio Canadá-França-Havaí no Havaí e o telescópio de 3,6 m do Observatório Europeu do Sul (ESO) em La Silla, Chile.
Uma técnica melhor para analisar espectros
Os cientistas primeiro voltaram sua atenção para espectros estelares para melhorar a detecção de exoplanetas usando velocidade radial. Este método mede leves oscilações em uma estrela geradas pela atração gravitacional de um planeta em órbita. Quanto maiores as oscilações, maior o planeta.
Mas é difícil detectar oscilações muito pequenas e, portanto, planetas de baixa massa. Para superar esse problema, Artigau e sua equipe desenvolveram uma técnica explorando o método de velocidade radial que analisa o espectro completo de uma estrela e não apenas algumas porções, como feito anteriormente com esse método.
Isso torna possível detectar planetas tão pequenos quanto a Terra orbitando em torno de pequenas estrelas. Artigau então teve a ideia de usar uma estratégia semelhante para detectar não apenas variações nas oscilações de uma estrela, mas também em sua temperatura.
Distinguir entre estrelas e seus planetas
Medições de temperatura são críticas na busca por exoplanetas, que são observados principalmente indiretamente, rastreando de perto sua estrela. Nos últimos anos, os astrônomos enfrentaram um grande obstáculo: como distinguir entre os efeitos observáveis de uma estrela e seus planetas.
Este é um problema tanto na busca por exoplanetas usando velocidade radial quanto no estudo de suas atmosferas usando espectroscopia de trânsito.
“É muito difícil confirmar a existência de um exoplaneta ou estudar sua atmosfera sem conhecimento preciso das propriedades da estrela hospedeira e como elas variam ao longo do tempo”, explicou Charles Cadieux, doutorando no IREx que contribuiu para o estudo.
“Essa nova técnica nos dá uma ferramenta inestimável para garantir que nosso conhecimento sobre exoplanetas seja sólido e para avançar na caracterização de suas propriedades.”
Precisão inigualável
A temperatura da superfície de uma estrela é uma propriedade básica na qual os astrônomos confiam porque ela pode ser usada para determinar a luminosidade e a composição química da estrela. Na melhor das hipóteses, a temperatura exata de uma estrela pode ser conhecida com uma precisão de cerca de 20 graus Celsius.
No entanto, a nova técnica não mede temperaturas exatas, mas sim variações de temperatura ao longo do tempo, que ela pode determinar com precisão notável.
“Não podemos dizer se uma estrela está a 5.000 ou 5.020 graus Celsius, mas podemos determinar se ela aumentou ou diminuiu em um grau, até mesmo uma fração de grau. Ninguém nunca fez isso antes”, disse Artigau.
“É um desafio detectar mudanças tão pequenas de temperatura no corpo humano, então imagine como é para uma bola gasosa com uma temperatura na casa dos milhares localizada a dezenas de anos-luz de distância!”
Insights sem precedentes sobre quatro estrelas
Para demonstrar que sua técnica funciona, os pesquisadores usaram observações feitas com o espectrógrafo SPIRou no Telescópio Canadá-França-Havaí e o espectrógrafo HARPS no telescópio de 3,6 m do ESO.
Nos dados capturados por esses dois telescópios para quatro pequenas estrelas na vizinhança solar, a equipe pôde ver claramente a variação de temperatura, que eles atribuíram à rotação da estrela ou a eventos em sua superfície ou no ambiente ao redor.
A nova técnica tornou possível medir grandes variações de temperatura. Para a estrela AU Microscopii, conhecida por sua alta atividade estelar, a equipe registrou variações de quase 40 graus Celsius.
Com essa técnica, eles conseguiram medir não apenas mudanças muito rápidas de temperatura associadas a curtos períodos de rotação de alguns dias, como os do AU Microscopii e do Epsilon Eridani, mas também aquelas que ocorrem em períodos de tempo muito mais longos, um feito difícil para telescópios terrestres.
“Conseguimos medir mudanças de alguns graus ou menos ocorrendo em períodos muito longos, como aquelas associadas à rotação da estrela de Barnard, uma estrela muito silenciosa que leva cinco meses para completar uma rotação completa”, explicou Artigau. “Antes, teríamos que usar o Telescópio Espacial Hubble para medir uma variação tão sutil e lenta.”
A nova técnica também tornou possível detectar mudanças de temperatura muito finas na superfície das estrelas. Por exemplo, a equipe detectou mudanças sutis de temperatura na estrela HD 189733 coincidindo com a órbita de seu exoplaneta HD 189733 b , um planeta gigante “Júpiter quente”.
Novos horizontes se abriram
Os pesquisadores da UdeM ressaltam que a técnica funciona não apenas com SPIRou e HARPS, mas com qualquer espectrógrafo que opere na faixa visível ou infravermelha.
A técnica inovadora será diretamente aplicável às observações do NIRPS, um espectrógrafo instalado no ano passado no telescópio do ESO no Chile. Segundo os pesquisadores, também seria possível usar essa técnica com instrumentos baseados no espaço, como o Telescópio Espacial James Webb.
“O poder e a versatilidade dessa técnica significam que podemos explorar dados existentes de vários observatórios para detectar variações que antes eram pequenas demais para serem percebidas, mesmo em escalas de tempo muito longas”, disse Artigau.
“Isso abre novos horizontes em nosso estudo das estrelas, sua atividade e seus planetas.”
Sobre este estudo
“Measuring sub-Kelvin variations in stellar temperature with high-resolution spectroscopy”, por Etienne Artigau, Charles Cadieux et. al, será publicado em breve no The Astronomical Journal (versão de código aberto aqui). A equipe também incluiu os pesquisadores Neil J. Cook e Romain Allart, o professor René Doyon, a aluna de mestrado Laurie Dauplaise e a estagiária Maya Cadieux, todas do Trottier Institute for Research on Exoplanets da Université de Montréal; e sete coautores nos EUA e na França.
