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Exoplanetas mostram o papel da incerteza na ciência

Neste artigo de divulgação, o professor Paul Byrne, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos EUA, explica porque a incerteza é parte intrínseca do método científico.

Incerteza na ciência

A incerteza na ciência é uma coisa boa. Porque é assim que o modelo científico funciona: você observa um fenômeno, forma uma hipótese sobre por que esse fenômeno está ocorrendo, então testa a hipótese, o que o leva a desenvolver uma nova hipótese, e assim por diante.

Esse processo significa que pode ser difícil saber definitivamente alguma coisa. Em vez disso, os cientistas trabalham para entender a incerteza em suas medições, seus modelos e suas conclusões.

Em outras palavras, em vez de ser uma limitação, a incerteza pode ajudar a melhorar nosso conhecimento do mundo natural e nos dizer quais perguntas fazer a seguir.

Mas esse conforto com a incerteza nem sempre se traduz em como as descobertas científicas são anunciadas ao público. Especialmente com mídias sociais por todo lado e tempos de resposta rápidos para jornalistas e assessorias de imprensa, pode ser difícil transmitir ao público as nuances ou mesmo as grandes limitações de uma descoberta científica. Como resultado, é possível que as pessoas - de forma totalmente compreensível - tenham a impressão de que uma nova descoberta seja mais robusta do que ela realmente é.

A estrela se põe sobre um horizonte rochoso, nebuloso e desértico na ilustração do exoplaneta Próxima b - mas essa cena pode não corresponder à realidade.

Incerteza na busca por mundos distantes

Pegue o caso dos exoplanetas. Durante muito tempo restritos ao reino da ficção científica, agora conhecemos mais de 4.000 mundos orbitando outras estrelas. E esse número está aumentando constantemente. Ainda mais entusiasmante, sondas espaciais, como a missão TESS da NASA, são cada vez mais capazes de procurar exoplanetas menores e rochosos, incluindo aqueles que podem ser parecidos com a Terra e talvez até habitáveis.

Existem vários métodos para se detectar exoplanetas. Os exoplanetas suspeitos são chamados de "candidatos" até que duas ou, preferencialmente mais, pesquisas independentes confirmem que eles são, de fato, reais. As duas técnicas principais são a fotometria de trânsito e o método da velocidade radial.

A fotometria de trânsito envolve observar uma estrela distante através de um telescópio (geralmente um telescópio muito poderoso) e observar se o brilho dela diminui. Nesse caso, uma explicação para esse escurecimento é que um planeta passou entre a estrela e o observador na Terra. Se uma estrela parece escurecer regularmente, é uma boa evidência circunstancial de que um planeta que cruza na frente da estrela é o culpado. A fotometria de trânsito pode até estimar o tamanho de um planeta medindo o quanto o planeta escurece sua estrela (porque um planeta maior bloqueia mais luz do que um planeta menor).

Obviamente, para que esse método funcione, o plano orbital de um exoplaneta deve ser tal que ele cruze a estrela conforme ela é vista da Terra. E o planeta deve circundar sua estrela com frequência suficiente para que possamos detectá-lo em uma quantidade razoável de tempo de observação. Por exemplo, um planeta que leva tanto tempo para circundar uma estrela quanto Plutão leva para orbitar o Sol não é algo que provavelmente detectaremos, mesmo que seu plano orbital esteja apontado para a Terra.

Existe também uma incerteza fundamental quanto à temperatura.

O método da velocidade radial procura pequenas oscilações na rotação de uma estrela, medida por variações nas propriedades da luz que ela emite. Como no caso da fotometria de trânsito, se essa oscilação ocorre regularmente, podemos concluir razoavelmente que o arrasto gravitacional de um planeta em órbita é o responsável. E, novamente, essa oscilação precisa se repetir com frequência suficiente para termos a chance de captá-la com telescópios.

No entanto, uma grande vantagem do método da velocidade radial em relação à fotometria de trânsito é que um planeta não precisa cruzar sua estrela da perspectiva de um astrônomo na Terra. Mas é também aí que reside uma grande incerteza na compreensão do tipo de planeta que podemos detectar com esse método.

Reconhecendo as limitações

Imagine um planeta circulando sua estrela em uma órbita alinhada com a Terra. A oscilação que este planeta induziria em sua estrela seria um valor máximo da nossa perspectiva: a quantidade que a estrela se moveria é maior em nossa direção ou se afastando de nós. (Obviamente, a quantidade desse movimento é realmente pequena, mas algo que ainda podemos medir com os telescópios modernos.)

Por outro lado, se o planeta orbitasse em um plano que estivesse de frente para nós, ou seja, veríamos toda a órbita como um círculo do nosso ponto de vista, então não veríamos nenhuma oscilação da estrela. Todos os puxões [gravitacionais] sobre a estrela estariam no plano da órbita, não deixando nenhuma alteração nas propriedades da luz da estrela para que pudéssemos detectar.

Mas e se, como é mais provável, um planeta orbita em um plano que não esteja nem alinhado conosco e nem diante de nós?

A oscilação que detectaríamos seria uma parte da oscilação total. E, como a magnitude da oscilação está relacionada com a massa do planeta em órbita, poderíamos medir apenas um valor mínimo para a massa desse planeta. Isso importa, porque a massa equivale ao tamanho: Um planeta de baixa massa tem uma chance maior de ser rochoso do que um planeta de massa maior. E é aqui que vários métodos de detecção são úteis, porque se a fotometria de trânsito puder medir o tamanho de um planeta, e as medições de velocidade radial nos fornecerem a massa do planeta, então poderemos calcular a densidade do exoplaneta.

E a matemática ainda tenta resolver as incertezas do tempo.

Um planeta com alta densidade tem muito mais probabilidade de ser parecido com a Terra ou Vênus, do que um planeta com uma densidade mais baixa, que pode ser composto principalmente de gases, como Netuno e Urano. Mas para um exoplaneta detectado apenas com velocidade radial, pode ser impossível saber se o valor medido de sua massa é preciso e, portanto, a natureza desse planeta, rochoso ou gasoso, é incerta.

Os astrônomos sabem disso, é claro, e, a menos que o ângulo da órbita de um planeta em relação à Terra seja conhecido (digamos, com a fotometria de trânsito), eles relatam a massa de um exoplaneta encontrado com o método da velocidade radial como um mínimo.

Este é um exemplo de onde a incerteza na ciência é totalmente reconhecida. Mas é também um exemplo de onde essa incerteza não é necessariamente óbvia para alguém não particularmente familiarizado com a descoberta de exoplanetas.

O problema do Próxima b

Por exemplo, em 2016, o Observatório Europeu do Sul anunciou a descoberta de um planeta orbitando a estrela mais próxima do Sol, Próxima Centauri. Esse planeta, chamado Próxima b, foi detectado pelo método da velocidade radial e possui uma massa mínima de 1,27 vezes a da Terra, tornando-o um planeta rochoso.

Mas é perfeitamente possível que o Próxima b seja ainda mais massivo e possa até ser um planeta mini-Netuno, um tipo não encontrado em nosso Sistema Solar, mas que parece ser comum em outros lugares, com uma espessa atmosfera de hidrogênio e hélio. Um mini-Netuno não se parece em nada com um mundo rochoso como a Terra, mas as ilustrações que acompanharam as notícias da descoberta de Próxima b (como a imagem no início do artigo) não conseguiram capturar facilmente essa incerteza.

E assim, embora exoplanetas sejam coisas incrivelmente emocionantes para se estudar e aprender, vale a pena manter a mente aberta quando surgirem artigos sobre a potencial habitabilidade de planetas que estão próximos de nós. Pelo menos até que possamos visitá-los.