Zona Habitável: A Faixa onde 40 Bilhões de Terras Podem se Esconder

Os dados do telescópio espacial Kepler, anunciados em 4 de novembro de 2013, apontavam para aproximadamente 40 bilhões de mundos do tamanho da Terra que poderiam estar orbitando dentro das zonas onde água líquida poderia sobreviver ao redor de estrelas semelhantes ao Sol e anãs vermelhas espalhadas pela Via Láctea. Esse único número reformulou como os astrônomos falam sobre nossa galáxia — não como uma dispersão de estrelas, mas como um campo denso de lugares onde água líquida poderia plausivamente se acumular em uma superfície rochosa.

A zona habitável em si é uma ideia enganosamente simples: o intervalo de distâncias de uma estrela onde um planeta poderia ser quente o suficiente para manter água líquida, mas não tão quente para fervendo. Parece geometria básica, mas a ciência real é mais confusa — a atmosfera de um planeta, sua órbita e o temperamento da sua própria estrela empurram as fronteiras. Este guia percorre de onde a ideia veio, o que realmente prevê e onde falha.

O termo zona habitável talvez tenha aparecido pela primeira vez em 1913, no livro Are The Planets Inhabited? do astrônomo Edward Maunder — décadas antes que alguém tivesse confirmado um único planeta além do nosso próprio sistema solar. Maunder raciocinou a partir dos primeiros princípios: a temperatura de um planeta depende de sua distância de sua estrela, então deveria haver uma faixa onde essa temperatura permite água líquida.

A versão moderna do conceito, aquela que os astrônomos realmente usam hoje, foi proposta em 1959 pelo astrofísico Su-Shu Huang, que a construiu em torno das restrições climáticas que uma estrela hospedeira impõe a qualquer planeta orbitando-a. A estrutura de Huang é por que a frase "zona habitável" agora aparece em quase todos os anúncios de descoberta de exoplaneta — fornece aos repórteres e pesquisadores um atalho rápido para "este planeta está aproximadamente na distância certa".

Kepler-452b é um dos exemplos mais claros da ideia em ação. Orbita sua estrela a 1,04 UA (156 milhões de km) — quase exatamente a distância da Terra do Sol — completando uma órbita a cada 385 dias, com um raio aproximadamente 1,63 vezes o da Terra e uma massa pelo menos três vezes a da Terra. O que o torna ainda mais notável é o tempo: Kepler-452b passou a maior parte de sua existência dentro da zona habitável de sua estrela, pouco mais de seis bilhões de anos e contando, mais tempo do que a Terra existe.

Nem todo planeta da zona habitável orbita uma estrela como o Sol. A temperatura efetiva do TRAPPIST-1 é apenas 2.566 K (2.293°C); isso o torna, a partir de 2022, a estrela mais fria conhecida por ter planetas — um lembrete de que a zona se desloca para dentro, não para fora, ao redor de estrelas fracas e frias. E a busca não se limita a sistemas pequenos e tranquilos: 55 Cancri f foi encontrado orbitando dentro da zona habitável de sua estrela, 55 Cancri A, parte de um sistema que se tornou o único além do nosso conhecido por hospedar cinco planetas. O sistema 55 Cancri fica a 41 anos-luz de distância e ecoa a forma do nosso próprio sistema solar — quatro planetas apertados e um mundo gigante mais distante — mas não tem contraparte com a Terra ou Marte. Esse quinto planeta, 55 Cancri f, tem aproximadamente a metade do tamanho de Saturno, pelo menos 45 vezes a massa da Terra, e completa uma órbita em 0,785 UA a cada 260,8 dias — um gigante de gás sentado onde um mundo rochoso poderia ter sido esperado.

Estar na zona habitável não diz nada sobre do que um planeta é realmente feito, e é aí que os dados de densidade se tornam essenciais. Em toda a população de exoplanetas conhecida, a densidade atinge um pico de 7,6 gramas por centímetro cúbico para planetas ao redor de 1,4 raios terrestres — mais densos, nesse tamanho, do que quase tudo o mais no censo. Além de aproximadamente 1,5 raios terrestres, porém, a densidade do planeta cai rapidamente, um sinal de que esses mundos carregam uma camada grossa de voláteis sobre um núcleo rochoso em vez de serem apenas rocha. Um planeta da zona habitável que parece do tamanho da Terra no papel pode, na prática, ser um pequeno mundo gasoso sem superfície sólida.

Estimar o quão comum esses planetas são tem sido um alvo móvel. Um estudo de 2013 de Dressing e Charbonneau usou dados do Kepler para calcular que estrelas frias carregam aproximadamente 0,15 planetas da zona habitável do tamanho da Terra por estrela. Uma reanálise posterior elevou essa estimativa para 0,48 a 0,53 planetas da zona habitável por anã vermelha, dependendo de quão conservadoramente os limites da zona são desenhados — mais do que o triplo da figura original, apenas ajustando as suposições sobre onde a zona começa e termina. Essa oscilação é uma lição útil: a zona habitável não é uma linha fixa e universalmente acordada, é uma estimativa funcional que muda conforme os modelos melhoram.

Até mesmo um planeta sentado no meio geométrico da zona habitável de sua estrela depende dessa estrela se comportar de forma previsível. O Sol em si permanece notavelmente estável, com o brilho total mudando apenas 0,1% ao longo de seu ciclo de aproximadamente 11 anos de atividade solar — uma oscilação muito mais suave do que vista em estrelas que pulsam e brilham muito mais violentamente, e uma grande parte da razão pela qual o clima da Terra permaneceu habitável ao longo do tempo geológico. A estabilidade não é garantida, porém, e sua ausência deixa uma marca: uma pausa de 70 anos nas manchas solares chamada Mínimo de Maunder, abrangendo o final do século XVII e início do XVIII, foi ligada ao período mais frio da Pequena Era do Gelo, quando a Europa e a América do Norte sofreram invernos brutalmente frios. As pequenas oscilações de uma estrela em sua produção podem empurrar o clima de um planeta inteiro por gerações.

A zona habitável é geralmente desenhada como um anel limpo, mas poucos planetas realmente a percorrem em um caminho circular. As excentricidades orbitais medidas de exoplanetas surpreenderam pesquisadores: 90% são mais excêntricas do que qualquer coisa no Sistema Solar, e a excentricidade média é 0,25. Um planeta em uma órbita alongada, elíptica pode oscilar da borda externa da zona habitável até a borda interna e voltar ao longo de um único ano, transformando uma "zona" que parece estável em uma volta muito mais difícil e variável.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability