Novo conceito de telescópio de espelho retangular pode impulsionar busca por mundos habitáveis

Uma inovadora proposta para a exploração espacial, revelada em 31 de agosto de 2025, sugere que um novo formato de telescópio, com um espelho primário retangular, que poderá acelerar significativamente a busca por planetas semelhantes à Terra e, potencialmente, por vida extraterrestre. Publicado na revista Frontiers in Astronomy and Space Sciences, este conceito, desenvolvido por uma equipe liderada pela Professora Heidi Newberg do Rensselaer Polytechnic Institute, em colaboração com financiamento do programa NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), visa superar as barreiras atuais na detecção direta de exoplanetas. Operando na faixa do infravermelho médio (10 mícrons) e utilizando uma inusitada configuração de espelho de 20 por 1 metro, similar em área de coleta ao Telescópio Espacial James Webb (JWST), o projeto propõe um caminho mais viável para identificar mundos habitáveis.

O cerne desta abordagem reside na capacidade de resolver a luz fraca de um exoplaneta contra o brilho esmagador de sua estrela hospedeira, um desafio que tem impedido as missões tradicionais. Ao focar na resolução em uma única direção, otimizada pelo formato retangular do espelho, e com a capacidade de rotação do telescópio para cobrir todas as orientações, os pesquisadores estimam que metade de todos os exoplanetas semelhantes à Terra, orbitando estrelas parecidas com o Sol em um raio de 30 anos-luz, poderia ser encontrada em menos de três anos. Este avanço promete uma via direta e mais acessível para identificar uma “Terra 2.0”, catalisando a próxima geração de exploração em busca de bioassinaturas, como o oxigênio atmosférico, fosfina e outros processos associados à presença de vida, e abrindo a possibilidade de futuras missões de sondagem.

Uma agulha no palheiro cósmico

A busca por planetas que possam sustentar vida, especialmente vida multicelular complexa, está intrinsecamente ligada à presença de água líquida e à longevidade de estrelas estáveis, como o nosso Sol. Com base nesses critérios, um grupo de aproximadamente 60 estrelas semelhantes ao Sol, localizadas a até 30 anos-luz da Terra, representam os alvos mais promissores para a detecção de exoplanetas habitáveis. No entanto, a observação direta desses mundos apresenta um desafio gigantesco: como diferenciar seu brilho da luz de uma estrela, que pode ser milhões, ou até bilhões, de vezes mais intenso que o de um planeta na faixa da luz visível?

A astrofísica Prof. Heidi Newberg ressalta a complexidade da vida, afirmando ao EurekAlert! que “a Terra sustenta a única vida conhecida no universo, e toda ela depende muito da presença de água líquida para facilitar as reações químicas”. Ela acrescenta ainda que, embora “a vida unicelular tenha existido quase tanto quanto a própria Terra, levou aproximadamente três bilhões de anos para a vida multicelular se formar. A vida humana existe há menos de um décimo de milésimo da idade da Terra”.

Essa perspectiva sugere que, embora a vida possa ser comum em planetas com água líquida, formas de vida avançadas, como a nossa, podem ser raras, justificando a necessidade de tecnologias para encontrá-las. Esse é o desafio proposto pelo artigo “The case for a rectangular format space telescope for finding exoplanets”, ou, em tradução livre, “O caso de um telescópio espacial de formato retangular para encontrar exoplanetas”.

Para conseguir separar a imagem de um exoplaneta do ofuscante brilho de sua estrela, a teoria da ótica exige uma resolução altíssima. No comprimento de onda ideal para detectar planetas com água líquida – cerca de 10 mícrons, que corresponde à largura de um fio de cabelo humano e é 20 vezes maior que o comprimento de onda da luz visível – um telescópio necessitaria de um diâmetro de pelo menos 20 metros para atingir a resolução necessária para distinguir um planeta semelhante à Terra de sua estrela a 30 anos-luz de distância. Essa observação só pode ser realizada no espaço, pois a atmosfera terrestre distorceria demais a imagem.

Contudo, o Telescópio Espacial James Webb (JWST), atualmente o maior já lançado, possui apenas 6,5 metros de diâmetro e sua implantação foi extremamente complexa. Propostas alternativas, como o lançamento de múltiplos telescópios menores em formação de voo super precisa ou o uso de “escudos estelares” gigantes a dezenas de milhares de quilômetros de distância, enfrentam obstáculos tecnológicos e logísticos considerados “excepcionalmente difíceis” ou impraticáveis devido ao consumo de combustível, como destacado pela Academia Nacional de Ciências, Engenharia e Medicina (NAS) em seu relatório.

A revolução da ótica retangular: 30 anos luz em 3 anos

Diante dos desafios impostos pelas abordagens convencionais, a pesquisa propõe uma solução inovadora: a adoção de um espelho primário retangular. Este novo conceito postula um telescópio com um espelho de 20 metros de comprimento por 1 metro de largura, operando na mesma faixa de infravermelho de 10 mícrons que o JWST. A genialidade do design reside em sua capacidade de atingir a alta resolução necessária ao longo de seu eixo mais longo, otimizando a detecção de exoplanetas em relação às suas estrelas hospedeiras.

A Prof. Heidi Newberg explicou a eficácia do novo design: “Mostramos que este design pode, em princípio, encontrar metade de todos os planetas semelhantes à Terra existentes orbitando estrelas semelhantes ao Sol dentro de 30 anos-luz em menos de três anos”.

Ela enfatiza a praticidade da proposta, acrescentando que “embora nosso design precise de mais engenharia e otimização, ele evita os íngremes obstáculos tecnológicos de outros conceitos”. Essa abordagem, que aproveita tecnologias já desenvolvidas para o JWST, promete um caminho mais direto para a descoberta.

Para garantir a cobertura de exoplanetas em qualquer posição angular ao redor de uma estrela, o espelho retangular pode ser girado. A estratégia envolve a captura de, no mínimo, duas imagens, com o espelho rotacionado em 90 graus entre as exposições, permitindo a identificação da maioria dos exoplanetas existentes. Essa flexibilidade, combinada com a capacidade de alinhar o eixo longo do telescópio com a direção da estrela ao exoplaneta, maximiza a eficiência da detecção e da subsequente caracterização atmosférica.

Os cálculos de viabilidade da missão são promissores: um tempo de exposição de 10 dias para cada uma das 15 estrelas semelhantes ao Sol mais próximas (dentro de 8 parsecs) resultaria na descoberta de 11 exoplanetas habitáveis em aproximadamente 0,4 anos de tempo de exposição total, ou seja, cerca de um ano de missão. Expandindo a busca para uma amostra maior de 46 estrelas do tipo F, G ou K dentro de 10 parsecs, um tempo de exposição de 10 dias por estrela levaria à detecção de 27 exoplanetas habitáveis em 1,3 anos de tempo de exposição total, traduzindo-se em uma missão de cerca de três anos e meio.

Vale ressaltar que as estimativas de “mundos habitáveis” aqui são, no mínimo, extrapolações meramente especulativas com base nas melhores teorias atuais da formação planetária.

Tecnologia e operação no espaço profundo

A concepção do telescópio retangular integra tecnologias comprovadas e também componentes inovadores para maximizar sua eficácia. O design proposto para um espelho primário de 20 por 1 metro seria segmentado, similar ao JWST, utilizando, por exemplo, vinte segmentos de berílio de 1 por 1 metro. Um espelho secundário de aproximadamente 2,3 por 1 metro seria posicionado de forma a não obstruir o primário. A montagem do telescópio seria realizada no ponto Lagrange L2, que fica a cerca de 1,5 milhão de quilômetros da Terra, um local ideal para observações infravermelhas devido à sua estabilidade térmica e capacidade de blindagem solar passiva.

Essencial para a capacidade de detecção do telescópio é a incorporação de um coronógrafo interferométrico acromático (AIC). Este instrumento é projetado para anular a luz coerente da estrela hospedeira, permitindo que a luz muito mais fraca do exoplaneta seja detectada. O AIC funciona dividindo o feixe de luz em dois, introduzindo uma mudança de fase em um deles e, em seguida, recombinando-os para cancelar a luz estelar. Sua capacidade de anulação em uma largura de banda de 25% é crucial para as observações infravermelhas de 10 mícrons, abrangendo a faixa necessária para identificar planetas com água líquida.

A eficácia do telescópio também depende de detectores de fótons únicos de última geração, como os sensores de borda de transição (TES), detectores de nanofios supercondutores de fótons únicos (SNSPD) ou detectores de indutância cinética de infravermelho médio (MKID). Esses detectores são capazes de coletar fótons sem introduzir ruído adicional.

As simulações de viabilidade consideraram cuidadosamente essa complexidade. Embora o design retangular possa exigir mais tempo de observação em comparação com um telescópio circular de diâmetro equivalente ao eixo longo do retângulo, os benefícios em termos de custo e facilidade de implantação são substanciais. Os autores também abordam as preocupações com a estabilidade estrutural e térmica do espelho, afirmando que, embora sejam desafios de engenharia reais, “parece plausível que um projeto cuidadoso, informado por modelos estruturais e confirmado por testes ambientais, amenize qualquer preocupação”. A experiência da NASA com o JWST, cujos 18 espelhos hexagonais de berílio foram projetados para manter sua forma em ambientes extremos, serve como precedente para a viabilidade deste novo conceito.

Além da detecção: buscando sinais de vida

Uma vez identificados os exoplanetas habitáveis, o próximo passo crucial é analisar suas atmosferas em busca de biomarcadores, que seriam fortes indicadores da presença de vida. Um dos principais alvos é o ozônio (O3), cuja detecção na atmosfera de um planeta habitável pode ser um “forte indicador de vida”. Na Terra, o ozônio é formado a partir do oxigênio liberado pela fotossíntese, um processo fundamental para a vida como a conhecemos. Embora existam mecanismos abióticos para produzir oxigênio, não se espera que eles o mantenham por períodos prolongados em planetas semelhantes à Terra.

O coronógrafo AIC, com sua capacidade de anulação de 25% na largura de banda, permitiria a obtenção de espectros em uma faixa de 2,5 mícrons no infravermelho, suficiente para cobrir a banda de absorção de O3 em 9,6 mícrons. Para otimizar a espectroscopia, o espelho do telescópio seria girado para que seu eixo longo se alinhasse com a direção da estrela ao exoplaneta, maximizando a separação e permitindo que apenas os fótons do planeta fossem transmitidos ao espectrógrafo. Embora um espectrógrafo de alta resolução seja possível, a baixa intensidade de fótons dos exoplanetas sugere uma busca por uma redução mensurável de contagens na banda de absorção.

Os cálculos indicam que, para os 11 exoplanetas habitáveis esperados da amostra de 15 estrelas mais próximas, seriam necessários, em média, 4 dias de tempo de exposição para obter uma detecção de 5 sigma da linha de absorção de O3, totalizando cerca de 0,12 anos de tempo de exposição para a busca de O3. Somando-se ao tempo de detecção, isso implicaria em uma missão total de aproximadamente um ano para identificar e caracterizar a presença de ozônio nesses mundos.

Para a amostra maior de 46 estrelas, a busca por ozônio nos 27 exoplanetas descobertos exigiria uma média de 6 dias de exposição por planeta, adicionando 0,4 anos ao tempo total de exposição. Assim, uma missão de cerca de três anos e meio (1,7 anos de tempo de exposição total) seria suficiente para atingir o objetivo do HWO (sigla em inglês para Observatório de Mundos Habitáveis) de encontrar pelo menos 25 exoplanetas habitáveis e investigar a presença de ozônio em suas atmosferas. A professora Newberg visualiza um futuro onde “para o candidato mais promissor, poderíamos enviar uma sonda que eventualmente transmitiria imagens da superfície do planeta”, concluindo que “o telescópio retangular poderia fornecer um caminho direto para identificar nosso planeta irmão: a Terra 2.0”.

Comparativo com outras abordagens e desafios futuros

A proposta do telescópio retangular não apenas oferece um caminho mais acessível, mas também se destaca em comparação com outras missões conceituais. Um telescópio quadrado com área de coleta equivalente, por exemplo, teria um “diâmetro” de 4,47 metros, mas seu limite de difração seria de 0,46 segundos de arco, o que significa que não conseguiria resolver planetas mais próximos de 0,23 segundos de arco de sua estrela hospedeira. Isso inviabilizaria a detecção da maioria dos exoplanetas habitáveis que o design retangular visa encontrar, como mostram as simulações, que detectariam apenas 5% dos exoplanetas semelhantes à Terra com essa configuração.

O design retangular evita as complexidades de outras grandes propostas: não requer múltiplas espaçonaves voando em formação de alta precisão, como o Large Interferometer For Exoplanets (LIFE), nem um escudo estelar viajando dezenas de milhares de quilômetros, como o Habitable Exoplanet Observatory (HabEx). Além disso, exige um coronógrafo com contraste dramaticamente menor em comparação com conceitos como o LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor) ou a missão Tianlin chinesa, que visam observações em luz visível/ultravioleta.

Embora o telescópio retangular ofereça vantagens significativas, ele não está isento de desafios de engenharia. A estabilidade estrutural e térmica do espelho primário retangular é uma preocupação, uma vez que vibrações e gradientes térmicos podem distorcer o espelho e afetar a qualidade da imagem. Observações no infravermelho exigem um controle de temperatura altamente preciso para minimizar o ruído térmico. No entanto, a equipe destaca que a extensa modelagem e os esforços de design da NASA para garantir a estabilidade óptica do JWST fornecem um precedente e um conjunto de capacidades de teste que podem ser aplicadas a este novo design.

Em última análise, o telescópio retangular propõe uma permuta estratégica: maiores tempos de exposição e uma análise de dados mais complexa (devido à rotação do telescópio) em troca da facilidade e menor custo de implantação de um espelho primário consideravelmente menor. A capacidade de rotação contínua do telescópio, em vez de duas exposições estáticas, é uma consideração prática que poderia aumentar a detectabilidade dos exoplanetas e otimizar o tempo de missão.

Os autores sugerem que, embora seu conceito não substitua missões de caracterização mais complexas como o HWO ou o LIFE, ele pode servir como uma missão precursora eficiente para identificar os alvos mais promissores. Os exoplanetas mais próximos são, afinal, os mais valiosos para estudar em detalhes, oferecendo as maiores chances de futuras investigações por sondas, comunicação ou, um dia, visitas humanas. A adaptabilidade do conceito retangular a qualquer comprimento de onda e instrumento astronômico padrão o posiciona como uma ferramenta potencialmente revolucionária para a astronomia de alta resolução.