Astronomia – Semana 101

Escrito por Lucas Cavalcante

A formação de corpos celestes envolve a condensação de nuvens de gás e poeira interestelar, resultando em planetas com diferentes características e potenciais para a vida.

Um dos fenômenos mais fascinantes da astronomia é a possibilidade de existência de vida, tanto na Terra quanto em outros lugares do universo. A capacidade de um corpo celeste hospedar vida depende de fatores físicos, químicos e biológicos, como a presença de água líquida, uma atmosfera adequada, temperatura amena e uma fonte de energia.

Nesta semana, exploraremos as condições necessárias para a vida em planetas e os processos de formação dos corpos celestes, analisando como diversos fatores influenciam a habitabilidade e a possibilidade de não estarmos sozinhos no universo.

Iniciante

Condição I : Energia

A energia é um dos fatores mais essenciais para a existência de vida em um corpo celeste, uma vez que ela é a fonte que permite a realização de todas as reações químicas e mecanismos biológicos dos seres vivos. Portanto, para que determinado objeto celeste tenha a capacidade de hospedar vida, a energia recebida por sua estrela precisa suportar a demanda energética dos seres que o habitam.

Sabendo que a demanda energética da comunidade biológica de um determinado planeta, com raio $R_p = R_{\oplus}$, é de, aproximadamente, $1,6 \cdot 10^{16} \; kcal/min$, a distância desse astro à sua estrela é de $d_p = 2 \; UA$ e o raio de sua estrela é $R_e = 2R_{\odot}$. Qual a temperatura mínima da estrela para que seja possível hospedar essa comunidade no planeta trabalhado?

Intermediário

Processo : Formação planetária

A formação de planetas e objetos celestes ocorre quando uma nuvem de poeira estelar, nebulosa, é suficientemente densa para que suas partículas interajam gravitacionalmente, agrupando-se e formando corpos maiores. Esse processo de agrupamento ocorre quando a nebulosa ultrapassa o limite de Jeans e ocorre o colapso gravitacional.

Nesse problema, esse processo de agrupamento gravitacional será modelado como a colisão entre duas esferas muito pequenas, por serem partículas de poeira, de massa $m$ e raio desprezível que interagem apenas pela força gravitacional entre elas, como mostrado na figura a seguir:

Sabendo que, inicialmente, as esferas se encontram a uma distância $d$. Encontre o tempo necessário para que a colisão entre as esferas ocorra, que representa uma estimativa para o tempo que duas partículas da nebulosa planetária demorariam para se agruparem.

Avançado

Condição II : Temperatura

Outro fator que possui grande importância para determinar se um corpo celeste é habitável é a presença de água em estado líquido, a presença desse recurso essencial para a vida como conhecemos é uma possibilidade caso a temperatura do planeta seja favorável à existência de água em estado líquido na pressão que o planeta possui por causa de sua atmosfera.

Além disso, muitos seres vivos só conseguem realizar seus processos biológicos e reações químicas em certos intervalos de temperatura. Portanto, a temperatura é uma condição indispensável para se determinar caso a existência de vida seja possível em certo astro e será o fator analisado nessa questão.

No decorrer da questão, o modelo utilizado para se encontrar a temperatura de um planeta de raio $R_p$ e albedo $A_p$ a uma distância $d_p$ de sua estrela levará em conta o efeito estufa ocasionado pela presença de atmosfera, considerada como um fino envelope envolta do planeta com raio $R_p$, temperatura uniforme $T_{atm}$, albedo $A_{atm}$ e transmitância $t_{atm}$. Considere que tanto a transmitância quanto o albedo são os mesmos para todos os comprimentos de onda.

a) Escreva a expressão para a potência total emitida pela atmosfera, considerando que, no equilíbrio térmico, sua emissividade é igual a sua absortividade. Lembre-se que a atmosfera possuiu duas superfícies, a interna, voltada para o planeta, e a externa, voltada para a estrela.

b) Encontre uma expressão para toda a potência absorvida pela atmosfera que vem da emissão do planeta, ou seja, encontre a soma, considerando todas as reflexões, da radiação emitida pelo planeta que é absorvida por sua atmosfera.

c) Agora, ache a expressão para a potência advinda da estrela que é absorvida diretamente pela atmosfera. Além disso, encontre a soma da potência absorvida pela atmosfera que resulta das reflexões da radiação originada da estrela. Sabendo que a luminosidade da estrela é $L_e$.

d) Então, descubra a potência absorvida pela atmosfera que advém da reflexão no planeta da própria radiação emitida pela atmosfera, ou seja, encontre a radiação refletida pelo planeta que foi emitida pela atmosfera e, então, absorvida por ela, considere todas as reflexões. Ainda, escreva a relação do equilíbrio termodinâmico para a atmosfera.

e) Logo, realize esse mesmo procedimento para o planeta, ou seja, encontre a potência emitida pelo planeta, a radiação absorvida que foi emitida pela atmosfera, considerando as reflexões, a radiação proveniente da estrela e suas reflexões, e a radiação emitida pelo planeta e refletida pela atmosfera. Além de escrever a relação para o equilíbrio termodinâmico do planeta.

f) Por fim, substitua o $T_{atm}$ encontrado na expressão do equilíbrio termodinâmico da atmosfera na segunda relação para encontrar uma expressão para temperatura do planeta $T_p$.

Com essas questões, foi possível descobrir mais sobre o vasto mundo que envolve a formação dos planetas e estrelas e as condições que possibilitam a existência de vida em certo astro tanto do Sistema Solar quanto de objetos extrassolares.