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ED 119

Três planetas orbitam um pulsar a 2.300 anos-luz

Aleksander Wolszczan e Dale Frail acharam em 1992, no radiotelescópio de Arecibo, os primeiros planetas confirmados fora do Sistema Solar.

Antena parabólica gigante de radiotelescópio encaixada numa depressão de rocha calcária cercada de vegetação tropical

O radiotelescópio de Arecibo, em Porto Rico

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Em 9 de janeiro de 1992, Aleksander Wolszczan e Dale Frail publicaram na revista Nature a detecção de dois corpos de cerca de 2,8 e 3,4 massas terrestres em órbita do pulsar PSR B1257+12, os primeiros planetas confirmados fora do Sistema Solar.

O objeto no centro daquele sistema não é uma estrela acesa. Um pulsar (o núcleo colapsado que sobra quando uma estrela de grande massa explode numa supernova) tem cerca de 20 quilômetros de diâmetro e comprime nesse espaço mais massa que o Sol inteiro. Uma colher de chá do material pesaria bilhões de toneladas.

O PSR B1257+12 gira 161 vezes por segundo e varre o espaço com um facho de ondas de rádio, como um farol. Cada volta manda um pulso na direção da Terra, e os pulsos chegam com regularidade de relógio atômico.

Planetas ali eram um contrassenso. A explosão que fabrica o pulsar libera mais energia do que o Sol vai liberar em toda a vida dele, expulsa as camadas externas da estrela a milhares de quilômetros por segundo e deveria varrer qualquer mundo ao redor. Em 1992, a comunidade astronômica esperava encontrar o primeiro planeta extrassolar orbitando uma estrela parecida com o Sol, calma e estável, e não o resto de uma catástrofe.

A confirmação em torno de uma estrela comum viria depois, com Michel Mayor e Didier Queloz, do Observatório de Genebra, que anunciaram em 1995 na Nature o planeta 51 Pegasi b. Entre uma coisa e outra passaram três anos, e o primeiro lugar na fila ficou com o objeto que menos combinava com a expectativa de todo mundo.

Havia ainda um agravante de reputação. Poucos meses antes, outro grupo britânico anunciara um planeta ao redor de um pulsar diferente e precisou desmentir o próprio achado em público, o que deixou a plateia predisposta a duvidar de qualquer anúncio parecido.

Arecibo não fotografou nada. O radiotelescópio de 305 metros encaixado na rocha de Porto Rico não enxerga um planeta a 2.300 anos-luz, e nenhum telescópio óptico enxerga também. O que os dois astrônomos tinham era uma coleção de horários de chegada de pulsos, medidos com precisão de microssegundos, e um desvio teimoso que não fechava a conta.

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I O Mecanismo

O relógio de 6,2 milissegundos que denunciou o puxão

O método se chama cronometragem de pulsar (o acompanhamento, ao longo de anos, do horário exato em que cada pulso de rádio chega ao telescópio). O PSR B1257+12 pertence à família dos pulsares de milissegundo, que giram rápido demais para terem nascido assim: eles foram acelerados por matéria roubada de uma estrela companheira, e a rotação resultante é das mais estáveis do universo conhecido.

Um relógio desses permite um truque de detecção. Se o pulsar estiver sozinho, os pulsos chegam quando a matemática manda. Se algum corpo estiver em órbita, o pulsar e esse corpo giram em torno de um centro de massa comum, e o pulsar se aproxima e se afasta da Terra num ciclo. Quando ele se afasta, o sinal demora um pouco mais; quando se aproxima, chega adiantado.

A assinatura de um planeta ali é um atraso de poucos milissegundos que volta a acontecer com período fixo. Sobre uma rotação de 6,22 milissegundos medida com precisão de microssegundos, o desvio salta aos olhos.

Wolszczan encontrou o pulsar em fevereiro de 1990 por um acaso operacional. Arecibo estava com o sistema de apontamento em reparo, então o prato ficou preso numa faixa fixa do céu, e o astrônomo aproveitou o tempo ocioso para varrer aquela região atrás de pulsares novos. O sinal apareceu na direção da constelação de Virgem.

Nos meses seguintes, os resíduos de tempo (a diferença entre o horário previsto de cada pulso e o horário registrado) não se comportaram. O padrão do erro respondia a dois ciclos sobrepostos, de 66,5 e 98,2 dias, com amplitudes de cerca de 1,5 e 0,7 milissegundo.

Traduzidos em órbitas, os dois ciclos entregaram corpos de aproximadamente 3,4 e 2,8 massas terrestres, a 0,36 e 0,47 unidade astronômica do pulsar, distâncias equivalentes à de Mercúrio e à do Sol até um ponto entre Mercúrio e Vênus.

Um terceiro corpo apareceu depois, bem menor: cerca de 0,02 massa terrestre, próximo da massa da Lua, num período de 25,3 dias e a 0,19 unidade astronômica. A sensibilidade do método impressiona por esse item, porque nenhuma outra técnica de caça a planetas chegava perto de detectar um objeto de massa lunar naquela década.

A prova definitiva veio da física entre os dois planetas maiores. Os períodos deles ficam quase na proporção de três para dois, o que faz um puxar o outro de forma previsível e deixar as órbitas ligeiramente deformadas ao longo do tempo. Frederic Rasio, Renu Malhotra e colegas calcularam o tamanho dessa interferência mútua em 1992 e 1993, e Wolszczan publicou na revista Science, em 1994, a medição do efeito exatamente como os cálculos pediam.

Esse ponto fecha o caso. Um erro instrumental ou uma mancha magnética na superfície do pulsar não teriam motivo para produzir duas oscilações que conversam entre si segundo as leis da gravitação.

II Por que Importa

O catálogo que começou num cadáver estelar

O sistema do PSR B1257+12 ensinou que planetas se formam sempre que existir um disco de matéria girando em torno de algo, independente do que seja esse algo. Sol aceso não é requisito de fabricação.

A origem mais aceita para esses três corpos é um disco de destroços que se formou depois da catástrofe, com material que caiu de volta ou sobrou da estrela companheira despedaçada pelo próprio pulsar. Poeira e gás se organizaram num anel, o anel virou grãos, os grãos viraram corpos rochosos. O roteiro segue o mesmo do Sistema Solar, num cenário que parecia hostil demais para permitir a receita.

Três corpos rochosos se montaram no lugar onde a física prevê destruição total, e a montagem levou menos tempo do que a astronomia da época julgava necessário.

Para o leitor, o efeito prático é o tamanho do catálogo. O resultado de 1992 validou a cronometragem como técnica capaz de revelar mundos invisíveis por efeito gravitacional, ideia que sustenta a velocidade radial de Mayor e Queloz e, na sequência, os trânsitos do telescópio Kepler. Passadas três décadas, o catálogo da NASA passou de 5.000 planetas confirmados em 2022.

Viver ali seria impossível. Os três corpos recebem um banho contínuo de radiação e de partículas carregadas do facho do pulsar, com intensidade que esteriliza qualquer química complexa de superfície. A União Astronômica Internacional batizou os planetas em 2015 com nomes tirados do folclore nórdico e grego: Draugr, Poltergeist e Phobetor, todos ligados a assombração, escolha coerente com um sistema que orbita um resto estelar.

Há também uma lição sobre expectativa científica. A busca por planetas extrassolares mirava estrelas parecidas com o Sol porque ninguém esperava resultado em outro lugar, e a primeira confirmação chegou por uma porta que o programa de busca considerava improvável. O acaso do reparo em Arecibo entra na história como parte do método, e não como anedota.

O reconhecimento oficial seguiu a expectativa antiga. O Prêmio Nobel de Física de 2019 foi para Mayor e Queloz pela descoberta de um planeta em órbita de uma estrela de tipo solar, e a formulação do prêmio deixou o sistema do pulsar de fora. A comunidade discute a escolha até hoje, e o consenso técnico sobre a validade da detecção de 1992 permanece intacto.

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III A Fonte

Wolszczan, Frail, Nature 1992, e o planeta que evaporou antes

O artigo saiu na Nature, volume 355, em 9 de janeiro de 1992, com o título "Um sistema planetário ao redor do pulsar de milissegundo PSR1257+12", assinado por Aleksander Wolszczan, da Universidade Cornell e do Observatório de Arecibo, e Dale Frail, do Observatório Nacional de Radioastronomia dos Estados Unidos.

Os números centrais do trabalho: rotação de 6,22 milissegundos, dois corpos de cerca de 3,4 e 2,8 massas terrestres, períodos orbitais de 66,5 e 98,2 dias, distância estimada do pulsar à Terra em torno de 2.300 anos-luz.

"As observações de cronometragem do PSR1257+12 revelam a presença de dois ou mais corpos de massa planetária em órbita ao redor do pulsar."

Aleksander Wolszczan e Dale Frail, Nature, 1992

O contraditório vinha de casa, e vinha quente. Em julho de 1991, Andrew Lyne, Matthew Bailes e Setnam Shemar, da Universidade de Manchester, publicaram na Nature um planeta em órbita do pulsar PSR 1829-10. Seis meses depois, Lyne descobriu que o sinal nascia de uma correção malfeita na órbita da Terra usada para converter os horários de chegada, defeito que produzia um falso ciclo de meio ano no período do suposto planeta.

Lyne subiu ao palco do encontro da Sociedade Astronômica Americana em janeiro de 1992, em Atlanta, e retirou o próprio resultado diante da plateia. Wolszczan apresentou o achado do PSR B1257+12 na mesma sessão, minutos depois. A retratação pública acabou funcionando a favor: ela mostrou qual era a armadilha do método, e os dois períodos de 66,5 e 98,2 dias não têm relação nenhuma com o ano terrestre.

Três limitações precisam de nome. A primeira: cronometragem mede massa mínima e período, não composição, então chamar os corpos de rochosos é inferência de modelo, sem espectro que comprove a superfície. A segunda: um quarto objeto, de massa próxima à de Saturno e órbita longa, chegou a ser reportado como candidato e foi descartado em análises posteriores, que atribuíram o resíduo ao meio interestelar entre nós e o pulsar.

A terceira limitação é a que continua aberta: ninguém sabe de onde veio o material que formou os planetas. Disco de matéria que caiu de volta após a explosão e disco feito dos restos da companheira estelar são as duas hipóteses em disputa, e os dados de cronometragem não distinguem uma da outra, porque medem a órbita atual e nada informam sobre a história anterior. A resposta depende de encontrar outros sistemas planetários em pulsares, e apenas um punhado de candidatos apareceu em trinta anos de busca.

Sobra um mal-entendido que vale desfazer. A descoberta é citada às vezes como planeta sobrevivente da explosão, e os cálculos apontam o contrário: os corpos atuais nasceram depois da catástrofe, com matéria reciclada, e qualquer planeta original do sistema foi perdido na expulsão das camadas da estrela.

"Quantas descobertas você atribui ao plano de quem procurava, quando a máquina estava parada para conserto?"

Cerca de 3,4 e 2,8 massas terrestres, em órbitas de 98,2 e 66,5 dias. Foram os dois primeiros planetas confirmados fora do Sistema Solar, registrados por Aleksander Wolszczan e Dale Frail no radiotelescópio de Arecibo e publicados na revista Nature em 1992.