O Prêmio Nobel de Física de 2019 foi concedido por “contribuições para a nossa compreensão da evolução do universo e do lugar da Terra no cosmos”. Metade do prémio foi para o cosmólogo Jim Peebles, e a outra metade foi atribuída conjuntamente a Michel Mayor e ao meu colega Didier Queloz pela primeira descoberta de um exoplaneta em órbita de uma estrela parecida com o Sol. Como alguém que passou uma década estudando exoplanetas, sei que este prêmio marca um reconhecimento há muito esperado de uma das maiores revoluções da astronomia moderna, uma que mudou radicalmente nossa percepção do nosso lugar no universo.
Um planeta exoplanet, ou planeta extra-solar, é um planeta que orbita uma estrela além do nosso sistema solar. Durante milhares de anos, através de muitas civilizações, os humanos têm-se perguntado se existiam mundos para além da Terra e do sistema solar. É humilhante perceber que esta pergunta só foi respondida há apenas 24 anos atrás.
Em 1995, Mayor e Queloz descobriram um exoplaneta gigante em órbita de uma estrela parecida com o Sol, 51 Pegasi. O planeta, conhecido como 51 Pegasi b, era semelhante em massa a Júpiter, mas 100 vezes mais próximo de sua estrela hospedeira, dando-lhe uma temperatura de mais de 1,000℃. A descoberta foi radical em muitos aspectos, até porque era totalmente diferente dos planetas do nosso sistema solar e contradizia teorias de formação e evolução planetária.
No nosso sistema solar, planetas gigantes como Júpiter e Saturno estão cinco a dez vezes mais longe do Sol do que a Terra e têm temperaturas abaixo de -100℃. Pensava-se que Júpiter e Saturno se tinham formado num disco gasoso ao redor do sol infantil, acumulando gás e gelo, possivelmente ainda mais longe do sol do que estão agora. A descoberta de um “Júpiter quente” localizado tão perto de sua estrela forneceu a primeira dica de que os planetas poderiam se formar em uma gama extremamente diversificada de outras formas fora do nosso sistema solar.
A descoberta de 51 Peg b foi resultado de ambas as proezas tecnológicas e serendipidade. Primeiro, eles tiveram acesso ao que era na época um dos instrumentos mais precisos do mundo para medir comprimentos de onda de luz de outras estrelas, o espectrógrafo ELODIE no Observatório Haute-Provence, no sul da França. Mas o tempo necessário para reunir as evidências para provar a existência de um exoplaneta depende da sua massa, da sua distância da estrela e do tempo que leva para completar uma órbita.
Existing theories and the model of our solar system meant that scientists didn’t expect to find any large planets with short orbits that could be found quickly. Então ninguém estava procurando ativamente por eles na época. O prefeito e Queloz estavam conduzindo o que eles pensavam ser um programa de longo prazo que poderia levar anos antes de encontrar um planeta ao redor de outra estrela. Mas, cerca de um ano após o início das observações, eles descobriram os primeiros sinais de que as teorias planetárias existentes eram incompletas.
A sua descoberta veio usando uma técnica conhecida como o método da velocidade radial. Quando um planeta orbita ao redor de uma estrela, a estrela também se move em uma órbita similar, mas muito menor, ao redor do centro de massa de todo o sistema. Em outras palavras, o puxão gravitacional do planeta sobre a estrela faz com que ela vacile em torno de um ponto entre elas.
Por causa desse movimento, a luz da estrela quando vista da Terra muda, no que é conhecido como um desvio Doppler. Quando a estrela está se movendo em direção a um observador, sua luz tem comprimentos de onda menores do que quando a estrela está estacionária, fazendo com que a luz pareça mais azul. Quando a estrela está se afastando do observador, a luz muda para comprimentos de onda mais longos e vermelhos.
Detectar tais mudanças de comprimento de onda periodicamente indica que outro objeto, neste caso um planeta, está orbitando a estrela. E, medindo-os ao longo do tempo, você pode calcular a velocidade em que a estrela está se movendo na direção ou para longe de você (a velocidade radial) e quanto tempo a órbita do planeta leva. A velocidade radial máxima dá-lhe uma medida da massa do planeta porque planetas maiores localizados mais perto da estrela fazem com que a estrela se mova mais rapidamente.
O movimento do sol devido a Júpiter tem uma velocidade radial máxima de 13 m/s, e a órbita do planeta leva 12 anos. Isto significa determinar com precisão a massa e a órbita completa de um planeta parecido com Júpiter em torno de uma estrela parecida com o Sol levaria 12 anos usando um espectrógrafo de medição de luz preciso a alguns m/s. Encontrar um planeta semelhante à Terra ao redor de um sol seria ainda mais difícil porque a velocidade radial máxima seria de apenas 9 cm/s.
No início dos anos 90, os melhores espectrógrafos da Terra eram capazes de precisão superior a 10 m/s, o que significava que eles não eram capazes de detectar planetas tão grandes, lentos e distantes de uma estrela como Júpiter. Mas 51 Peg b era um planeta do tamanho de Júpiter 100 vezes mais próximo de sua estrela, com uma órbita de apenas 4,2 dias em vez de 12 anos. Isto significava que sua velocidade radial máxima era significativamente maior a quase 60 m/s, bem dentro do alcance do espectrograma de Mayor e Queloz.
Após terem encontrado os primeiros sinais de um planeta com uma órbita tão curta, os dois cientistas fizeram mais observações e análises detalhadas que confirmaram as propriedades do que agora conhecemos como o Júpiter quente, 51 Peg b. Apesar do intenso escrutínio a que os resultados foram submetidos, suas descobertas foram rapidamente confirmadas por outras equipes usando outros instrumentos.
A descoberta revolucionária de 51 Peg b por Mayor e Queloz provocou uma avalanche de observações astronômicas nas duas décadas seguintes, revelando a ubiqüidade e diversidade dos exoplanetas que conhecemos hoje. Mais de 4.000 exoplanetas são agora conhecidos, abrangendo toda a gama de propriedades planetárias, desde Jupiters quentes a planetas de tamanho terrestre nas zonas habitáveis das suas estrelas hospedeiras. Isso significa que existem planetas que provavelmente estão às temperaturas certas para que exista água líquida nas suas superfícies, e para que a vida como a conhecemos evolua.