Novo software corrige oscilações do James Webb e revela exoplanetas

Encontrar um planeta orbitando outra estrela costuma ser comparado ao desafio de enxergar constelações em pleno meio-dia. Devido ao brilho intenso, até os maiores planetas podem ser mais de 10.000 vezes menos luminosos do que os sóis ao redor dos quais giram, fazendo com que sua luz acabe soterrada pelo facho estelar. No entanto, um estudo recente publicado na revista Nature detalha um software inovador criado para o telescópio espacial James Webb que promete facilitar essa tarefa e ampliar as chances de detecção de astros próximos de suas estrelas.

Para minimizar o incômodo, os cientistas utilizam um mecanismo interno no observatório chamado coronógrafo, que funciona bloqueando a maior parcela da luz emitida pela estrela. “It is something like an artificial eclipse”, resume o autor principal do estudo, Rodrigo Ferrer-Chavez, astrônomo da Universidade Northwestern.

Apesar do recurso, um pouco de brilho ainda vaza. Para contornar isso, os astrônomos fotografam uma estrela de referência semelhante e subtraem a luminosidade calculada da nova imagem. O problema é que esse gabarito é um registro capturado pelo observatório em outro momento, e o equipamento jamais se encontra exatamente no mesmo estado. As estrelas mudam ligeiramente de posição no enquadramento, as temperaturas flutuam e o espelho de 6,5 metros do James Webb se flexiona. Tais discrepâncias geram resíduos que podem encobrir um planeta fraco na imagem, indicando que a capacidade do telescópio de enxergar mundos menores esbarra em sua estabilidade geral.

Atualmente, o observatório consegue detectar corpos celestes com o tamanho aproximado de Saturno orbitando suas estrelas a distâncias maiores do que Plutão orbita o Sol. Contudo, para capturar imagens diretas de mundos com dimensões semelhantes às da Terra, seria preciso um equipamento de 100 a 1.000 vezes mais estável do que o James Webb, patamar ainda inalcançável nem mesmo em condições de laboratório, aponta Ferrer-Chavez.

A solução encontrada pela equipe foi o desenvolvimento de um novo programa de computador batizado de Physics-Based Learning for Imaging Planets (FLIP). O sistema incorpora uma compreensão física detalhada sobre o funcionamento do telescópio e de seus espelhos, simulando a captação da luz estelar e considerando todas as instabilidades possíveis. Em vez de empregar dados de brilho de outras medições estelares, o FLIP gera uma simulação baseada na trajetória da luz do astro-alvo por esse equipamento virtual. Após ajustar a simulação para coincidir com as observações reais, os pesquisadores utilizaram o software para eliminar o reflexo e enxergar planetas menores do que os limites de hardware normalmente permitiriam.

Testado em observações de três sistemas estelares, o método se mostrou de duas a 15 vezes mais sensível do que as técnicas convencionais. Em um desses sistemas, o programa ainda conseguiu registrar o planeta gigante 51 Eridani b, um astro que antes permanecia invisível nos comprimentos de onda detectáveis pelo observatório. Além disso, os ganhos proporcionados pelo software são maiores justamente nas regiões mais próximas às estrelas, locais onde planetas semelhantes à Terra tendem a orbitar.

“This is a significant result”, avalia Dimitri Mawet, cientista sênior de pesquisa no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que não participou da pesquisa. Mawet aponta que métodos baseados em modelos para remover o brilho estelar de imagens telescópicas vinham sendo debatidos há mais de dez anos, mas até agora não conseguiam superar as técnicas fundamentadas na medição física de estrelas de referência. “Ferrer-Chavez and colleagues show that it can”, afirma.

O objetivo principal da tecnologia é pavimentar o caminho para a construção do Habitable Worlds Observatory (HWO), sucessor do James Webb planejado para ser lançado na década de 2040. Se os softwares de processamento de imagem conseguirem limpar melhor o reflexo estelar, a estrutura física do futuro telescópio poderá tolerar uma oscilação um pouco maior. “Physics-based postprocessing like this could plausibly ease part of HWO’s stability error budget, and that alone would matter”, diz Mawet, embora ressalte que a óptica do HWO ainda precisará manter uma precisão de um trilionésimo de metro para fotografar planetas parecidos com a Terra que sejam cerca de 10 bilhões de vezes mais apagados do que suas estrelas.

Como resume Ferrer-Chavez: “If our approach works, building this new observatory may be really hard but not really, really, really hard.”