Assinaturas polarimétricas de exoplanetas: modelagem tridimensional de atmosferas e superfícies heterogêneas

Abstract

A polarimetria constitui uma via observacional poderosa para a caracterização físico-química de atmosferas e superfícies planetárias. Apesar de seu sucesso no Sistema Solar, a aplicação em exoplanetas permanece um desafio técnico, exigindo o avanço conjunto de instrumentação de alta precisão e de modelos teóricos tridimensionais. Esta dissertação apresenta uma abordagem dupla para a polarimetria exoplanetária, combinando o desenvolvimento de uma infraestrutura computacional de simulação com a execução de uma campanha observacional em solo. Na frente teórica, desenvolvemos um pipeline numérico que acopla a transferência radiativa vetorial local à integração geométrica global do disco planetário. Utilizando técnicas de geração procedural espacial, o modelo supera a aproximação clássica de esferas homogêneas, permitindo simular assinaturas polarimétricas complexas oriundas de oceanos líquidos, distribuições topográficas e de nuvens, modulação rotacional, achatamento planetário e eventos de ocultação estelar. Na frente observacional, analisamos dados fotopolarimétricos do exoplaneta de período ultracurto K2-131b, obtidos no visível com o instrumento SPARC4 do Observatório do Pico dos Dias (OPD/LNA). Embora a forte variância atmosférica tenha impedido uma detecção empírica direta, os limites de ruído alcançados, quando confrontados com simulações de Forward Modeling, restringem a natureza do alvo. Nossos resultados descartam a presença de invólucros voláteis densos e limitam os cenários físicos do planeta a superfícies hiper-refletoras ou nuvens minerais, cujas amplitudes reflexivas operam na escala de poucas partes por milhão. Concluímos que a infraestrutura desenvolvida amplia substancialmente as ferramentas para a modelagem de sinais polarimétricos em exoplanetas rochosos, estabelecendo um alicerce metodológico para futuras campanhas na iminente era dos Telescópios Extremamente Grandes (ELTs).Polarimetry constitutes a powerful observational pathway for the physicochemical characterization of planetary atmospheres and surfaces. Despite its success in the Solar System, its application to exoplanets remains a technical challenge, requiring the joint advancement of highprecision instrumentation and three-dimensional theoretical models. This dissertation presents a dual approach to exoplanetary polarimetry, combining the development of a computational simulation framework with the execution of an observational campaign. On the theoretical front, we developed a numerical pipeline that couples local vector radiative transfer with the global geometric integration of the planetary disk. Employing spatial procedural generation techniques, the model overcomes the classical approximation of homogeneous spheres, allowing the simulation of complex polarimetric signatures arising from liquid oceans, topographic and cloud distributions, rotational modulation, planetary oblateness, and stellar occultation events. On the observational front, we analyzed photopolarimetric data of the ultra-short period exoplanet K2-131b, obtained in the optical with the SPARC4 instrument at the Pico dos Dias Observatory (OPD/LNA). Although strong atmospheric variance precluded a direct empirical detection, the noise limits achieved, when confronted with Forward Modeling simulations, constrain the nature of the target. Our results rule out the presence of dense volatile envelopes and restrict the planet’s physical scenarios to hyper-reflective surfaces or mineral clouds, whose reflective amplitudes operate on the scale of a few parts per million. We conclude that the developed infrastructure substantially expands the tools for modeling polarimetric signals in rocky exoplanets, establishing a methodological foundation for future campaigns in the impending era of Extremely Large Telescopes (ELTs).