As estranhas órbitas dos discos planetários tipo-“Tatooine”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Dois exemplos de discos proto-planetários alinhados e desalinhados em torno de estrelas binárias (discos circum-binários), observados com o ALMA. As órbitas das estrelas binárias foram acrescentadas para efeitos de claridade. Esquerda: no sistema estelar HD 98800 B, o disco está desalinhado com as estrelas do binário. As estrelas orbitam-se uma à outra (nesta imagem, na nossa direcção e na direcção contrária) em 315 dias. Direita: no sistema estelar AK Sco, o disco está em linha com a órbita das suas estrelas binárias. As estrelas orbitam-se uma à outra a cada 13,6 dias.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. Czekala e G. Kennedy; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Usando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrónomos descobriram geometrias orbitais impressionantes em discos proto-planetários que rodeiam estrelas binárias. Embora os discos que orbitem os sistemas estelares duplos mais compactos partilhem quase o mesmo plano, os discos em torno de binários largos têm planos orbitais muito inclinados. Estes sistemas podem ensinar-nos mais sobre a formação planetária em ambientes complexos.

Ao longo das últimas duas décadas têm sido encontrados milhares de planetas em órbita de outras estrelas além do Sol. Alguns destes planetas orbitam duas estrelas, tal como o lar de Luke Skywalker, Tatooine (da saga “Star Wars”). Os planetas nascem em discos proto-planetários – temos agora observações maravilhosas destes discos graças ao ALMA – mas a maioria dos discos estudados até agora encontram-se em estrelas singulares. Os exoplanetas tipo-“Tatooine” formam-se em discos que rodeiam estrelas duplas, os chamados discos circum-binários.

O estudo dos locais de nascimento dos planetas “Tatooine” fornece uma oportunidade única de aprender como os planetas se formam em ambientes diferentes. Os astrónomos já sabem que as órbitas das estrelas binárias podem distorcer e inclinar o disco em seu redor, resultando num disco circum-binário desalinhado em relação ao plano orbital das suas estrelas hospedeiras. Por exemplo, num estudo de 2019 liderado por Grant Kennedy da Universidade de Warwick, no Reino Unido, o ALMA encontrou um disco circum-binário impressionante numa configuração polar.

“Com o nosso estudo, queríamos aprender mais sobre as geometrias típicas dos discos circum-binários,” disse o astrónomo Ian Czekala da Universidade da Califórnia em Berkeley, EUA. Czekala e a sua equipa usaram dados do ALMA para determinar o grau de alinhamento de dezanove discos proto-planetários em torno de estrelas binárias. “Os dados de alta resolução do ALMA foram críticos para o estudo de alguns dos mais pequenos e ténues discos circum-binários vistos até à data,” disse Czekala.

Os astrónomos compararam os dados do ALMA dos discos circum-binários com a dúzia de planetas tipo-“Tatooine” encontrados pelo telescópio espacial Kepler. Para sua surpresa, a equipa descobriu que o grau de desalinhamento entre as estrelas duplas e os seus discos circum-binários dependem fortemente do período orbital das estrelas hospedeiras. Quanto menor o período orbital da estrela binária, maior a probabilidade de hospedar um disco alinhado com a sua órbita. No entanto, os binários com períodos superiores a um mês geralmente hospedam discos desalinhados.

“Nós vemos uma clara sobreposição entre os discos pequenos, em órbita de binários compactos, e os planetas circum-binários encontrados com a missão Kepler,” disse Czekala. Dado que a missão primária do Kepler durou 4 anos, os astrónomos conseguiram descobrir planetas em torno de estrelas duplas que se orbitam uma à outra em menos de 40 dias. E todos estes planetas estavam alinhados com as suas órbitas estelares. Um mistério persistente era se haveriam muito planetas desalinhados que o Kepler teria dificuldade em encontrar. “Com o nosso estudo, sabemos agora que provavelmente não há uma grande população de planetas desalinhados que o Kepler falhou em descobrir, uma vez que os discos circum-binários em torno de binários compactos estão tipicamente alinhados com os seus hospedeiros estelares,” acrescentou Czekala.

Ainda assim, com base nesta descoberta, os astrónomos concluem que devem existir por aí planetas desalinhados em torno de estrelas duplas e que será uma população excitante de procurar com outros métodos de caça exoplanetária, como imagem directa e micro-lente (a missão Kepler da NASA usou o método de trânsito, que é uma das maneiras de encontrar um planeta).

Czekala agora quer descobrir por que razão existe uma correlação tão forte entre o (des)alinhamento do disco e o período orbital da estrela dupla. “Queremos usar as instalações existentes e futuras, como o ALMA e o VLA (Very Large Array) de próxima geração para estudar estruturas de disco em níveis requintados de precisão,” disse, “e tentar entender como os discos deformados ou inclinados afectam o ambiente de formação planetária e como isto pode influenciar a população de planetas que se formam dentro destes discos.”

“Esta investigação é um óptimo exemplo de como novas descobertas se baseiam em observações anteriores,” disse Joe Pesce, oficial da NSF (National Science Foundation) para o NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e para o ALMA. “O discernimento das tendências na população de discos circum-binários só foi possível com base nos programas observacionais de arquivo realizados pela comunidade do ALMA em ciclos anteriores.”

Astronomia On-line
24 de Março de 2020

 

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3513: Reimaginando a heliosfera, a bolha protectora do nosso Sistema Solar

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Será este o aspecto da heliosfera? Uma nova investigação sugere que sim. O tamanho e a forma do “campo de forças” magnético que protege o nosso Sistema Solar dos mortíferos raios cósmicos há muito que são debatidos pelos astrofísicos.
Crédito: Merav Opher, et al.

Está a viver numa bolha. Não é uma bolha metafórica – uma bolha real e literal. Mas não se preocupe, estamos todos. Todo o planeta, e todos os outros planetas do Sistema Solar, também estão na bolha. E podemos dever a nossa existência a ela.

Os físicos espaciais chamam esta bolha de heliosfera. É uma região vasta, que se estende a mais do dobro da distância de Plutão, que lança um “campo de forças” magnético em redor de todos os planetas, desviando partículas carregadas que, de outra forma, carregariam sobre o Sistema Solar e até rasgariam o nosso ADN, caso tivesse azar suficiente para se colocar no caminho delas.

A heliosfera deve a sua existência à interacção de partículas carregadas que fluem do Sol (o chamado vento solar) e partículas de fora do Sistema Solar. Embora pensemos no espaço entre as estrelas como perfeitamente vazio, na verdade é ocupado por uma mistura fina de poeira e gás de outras estrelas – estrelas vivas, estrelas mortas e estrelas que ainda não nasceram. Em média, por toda a Galáxia, cada volume de espaço do tamanho de um cubo de açúcar contém apenas um único átomo, e a área em redor do nosso Sistema Solar é ainda menos densa.

O vento solar está constantemente a empurrar este material interestelar. Mas quanto mais longe estiver do Sol, mais fraco esses empurrões se tornam. Após dezenas de milhares de milhões de quilómetros, a matéria interestelar começa a empurrar de volta. A heliosfera termina onde as duas forças se equilibram. Mas onde está, exactamente, este limite, e qual o seu aspecto?

Merav Opher, professora de astronomia na Faculdade de Artes e Ciências e do Centro para Física Espacial, ambos na Universidade de Boston, tem vindo a examinar estas questões há quase 20 anos. E, ultimamente, as suas respostas têm provocado um rebuliço.

Dado que todo o nosso Sistema Solar está em movimento através do espaço interestelar, a heliosfera, apesar do seu nome, não é realmente uma esfera. Os físicos espaciais há muito tempo que comparam a sua forma com a de um cometa, com um “nariz” redondo num lado e uma longa cauda que se estende na direcção oposta. Procure na Internet imagens da heliosfera, e esta é a imagem que certamente vai encontrar.

Mas em 2015, usando um novo modelo de computador e dados da sonda Voyager 1, Opher e o seu co-autor James Drake da Universidade de Maryland, chegaram a uma conclusão diferente: propuseram que a heliosfera tem na verdade a forma de um crescente – não muito diferente de um croissant. Neste modelo de “croissant”, dois jactos estendem-se a jusante do nariz, em vez de uma única cauda que desvanece. “Isto deu início à conversa sobre a estrutura global da heliosfera,” diz Opher.

O seu artigo não foi o primeiro a sugerir que a heliosfera não tinha o aspecto de um cometa, realça, mas deu foco a um debate recém-energizado. “Foi muito contencioso,” diz. “Estava a ser criticada em todas as conferências! Mas mantive-me firme.”

Então, dois anos após o início do debate sobre o “croissant”, as leituras da sonda Cassini, que orbitou Saturno de 2004 a 2017, sugeriram ainda outra visão da heliosfera. Cronometrando partículas que ecoavam nos limites da heliosfera e correlacionando-as com iões medidos pelas duas sondas Voyager, os cientistas da Cassini concluíram que a heliosfera é realmente quase redonda e simétrica: nem um cometa nem um croissant, mas mais como uma bola de praia. O resultado foi tão controverso quanto o croissant. “Não aceitamos facilmente este tipo de mudança,” diz Tom Krimigis, que liderou experiências tanto na Cassini como nas Voyager. “Toda a comunidade científica que trabalha nesta área havia assumido, durante mais de 55 anos, que a heliosfera tinha uma cauda parecida à de um cometa.”

Agora, Opher, Drake e os colegas Avi Loeb da Universidade de Harvard e Gabor Toth da Universidade de Michigan criaram um novo modelo tridimensional da heliosfera que poderá reconciliar o “croissant” com a bola de praia. O seu trabalho foi publicado na revista Nature Astronomy no passado dia 16 de Março.

Ao contrário dos modelos anteriores, que assumiram que as partículas carregadas no Sistema Solar pairavam em torno da mesma temperatura média, o novo modelo divide as partículas em dois grupos. Primeiro estão as partículas carregadas vindas directamente do vento solar. Em segundo, o que os físicos espaciais chamam de iões “pickup”. Estas são partículas que entraram no Sistema Solar numa forma electricamente neutra – como não são desviados pelos campos magnéticos, as partículas neutras podem “simplesmente entrar”, diz Opher – mas viram os seus electrões arrancados.

A nave New Horizons, que está agora a explorar o espaço para lá de Plutão, revelou que estas partículas se tornam centenas ou milhares de vezes mais quentes do que os comuns iões do vento solar à medida que são transportados pelo vento solar e acelerados pelo seu campo eléctrico. Mas foi apenas graças à modelagem da temperatura, densidade e velocidade dos dois grupos de partículas, separadamente, que os investigadores descobriram a sua excessiva influência na forma da heliosfera.

Esta forma, de acordo com o novo modelo, na verdade divide a diferença entre um croissant e a esfera. Chamemos-lhe de bola de praia vazia ou croissant “bulboso”: de qualquer maneira, parece ser algo com o qual a equipa de Opher e os investigadores da Cassini concordam.

O novo modelo parece muito diferente daquele modelo clássico de cometa. Mas os dois podem ser realmente mais idênticos do que parecem, diz Opher, dependendo exactamente de como definimos o limite da heliosfera. Pensemos em transformar uma foto em escala de cinza em apenas preto e branco: a imagem final depende muito de exactamente qual o tom de cinza que escolhemos como a linha divisória entre preto e branco.

Mas, porque é que haveríamos de nos preocupar com a forma da heliosfera? Os investigadores que estudam os exoplanetas – planetas em torno de outras estrelas – estão profundamente interessados em comparar a nossa heliosfera com as de outras estrelas. Poderiam o vento solar e a heliosfera ser ingredientes-chave na receita da vida? “Se queremos compreender o nosso ambiente, temos que compreender toda esta heliosfera,” diz Loeb, colaborador de Opher em Harvard.

E ainda há a questão daquelas partículas interestelares destruidoras de ADN. Os investigadores ainda estão a trabalhar no que, exactamente, significam para a vida na Terra e para os outros planetas. Alguns pensam que podem realmente ter ajudado a conduzir as mutações genéticas que levaram a formas de vida como nós, diz Loeb. “Na quantidade certa, introduzem mudanças, mutações que permitem que um organismo evolua e se torne mais complexo,” explica. Mas a diferença entre o remédio e o veneno é a dose, já diz o ditado. “Há sempre um equilíbrio delicado ao lidar com a vida como a conhecemos. Algo bom em demasia, é mau,” diz Loeb.

No entanto, quando se trata de dados, raramente há algo bom em demasia. E, embora os modelos pareçam estar a convergir, ainda estão limitados por uma escassez de dados das áreas exteriores do Sistema Solar. É por isso que investigadores como Opher esperam estimular a NASA para lançar uma sonda interestelar de próxima geração que abrirá um caminho através da heliosfera e detectará directamente iões “pickup” perto da periferia da heliosfera. Até agora, apenas as naves espaciais Voyager 1 e 2 passaram essa fronteira, e foram lançadas há mais de 40 anos, carregando instrumentos de uma era mais antiga, construídos para fazer um trabalho diferente. Os defensores da missão do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins dizem que uma nova sonda poderá ser lançada algures na década de 2030 e que poderá começar a explorar o limite da heliosfera 10 ou 15 anos depois disso.

“Com a Sonda Interestelar, esperamos resolver pelo menos alguns dos inúmeros mistérios que as Voyager começaram a levantar,” diz Opher. E isso, acha ela, vale a pena a espera.

Astronomia On-line
24 de Março de 2020

 

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3512: Onde há um, há mais cem

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista de um blazar.
Crédito: NASA/JPL-Caltech/GSFC

PSO J030947.49+271757.31 é o blazar mais distante observado até à data. A luz que vemos começou a sua viagem quando o Universo tinha menos de mil milhões de anos, há quase 13 mil milhões de anos. O blazar foi descoberto por uma equipa de investigadores liderada por Silvia Belladitta, estudante de doutoramento da Universidade de Insubria, que trabalha para o INAF (Instituto Nacional de Astrofísica) em Milão, Itália, sob a supervisão de Alberto Moretti e Alessandro Caccianiga.

Embora houvesse a suspeita de que o objecto fosse distante, e as observações do Telescópio Espacial Swift (do qual o INAF é um dos principais contribuintes) mostrassem que o seu poder de raios-X correspondia ao de outros blazares, foram as observações obtidas com o óptico MODS (Multi-Double Object Spectrographs) acoplado ao LBT (Large Binocular Telescope) que confirmaram que realmente quebrou o recorde de blazar mais distante do Universo conhecido.

Os blazares são das mais brilhantes classes de objectos chamados NGAs – Núcleos Galácticos Activos – que são buracos negros super-massivos nos centros das galáxias. Estão activos devido à presença de um disco ou esfera de gás ionizado em seu redor que “alimenta” a emissão vista em muitos comprimentos de onda. Os blazares emitem poderosos jactos relativistas, brilhantes o suficiente para serem vistos em todo o Universo conhecido. O feixe de um blazar é visível apenas ao longo de uma estreita linha de visão. Se a Terra não estiver nessa linha de visão, não seria facilmente reconhecível. Assim sendo, a detecção de objectos pode ser extremamente difícil (e fortuita). Mais importante, porém, este blazar é um dos buracos negros super-massivos mais antigos e distantes não obscurecidos por poeira (ao contrário da maioria dos buracos negros super-massivos). Isto permite que os astrónomos estudem este objecto em todo o espectro electromagnético e construam uma imagem completa das suas propriedades.

“O espectro que apareceu diante dos nossos olhos confirmou primeiro que PSO J0309 + 27 é na verdade um NGA, ou uma galáxia cujo núcleo central é extremamente brilhante devido à presença, no seu centro, de um buraco negro super-massivo alimentado pelo gás e pelas estrelas que engole,” diz Belladitta. “Além disso, os dados obtidos pelo LBT também confirmaram que PSO J0309 + 27 está muito longe de nós, usando o desvio para o vermelho, com um valor recorde de 6,1, nunca medido anteriormente para um objecto semelhante,” acrescenta Belladitta, autora principal do artigo científico que descreve a descoberta, publicado na revista Astronomy & Astrophysics Letters.

PSO J0309 + 27 provou ser, de momento, a fonte de rádio mais poderosa e persistente do Universo primordial, nos primeiros mil milhões de anos desde a sua formação. Observações feitas pelo telescópio XRT a bordo do satélite Swift – uma missão com uma contribuição fundamental do INAF e da Agência Espacial Italiana – também tornaram possível estabelecer que, mesmo em raios-X, PSO J0309 + 27 é a fonte cósmica mais brilhante já observada a estas distâncias.

Belladitta ainda realça: “É extremamente importante observar um blazar, porque para cada fonte descoberta deste tipo, sabemos que devem existir cem semelhantes, mas orientadas de maneira diferente e, portanto, fracas demais para serem vistas directamente.” Assim sendo, a descoberta de PSO J0309 + 27 permite que os astrónomos quantifiquem, pela primeira vez, o número de NGAs com poderosos jactos relativistas presentes no Universo primordial. Os blazares nestas épocas iniciais representam as “sementes” de todos os buracos negros super-massivos que existem hoje no Universo.

“A partir destas novas observações do LBT, ainda em desenvolvimento, também estimamos que o mecanismo central que acciona PSO J0309 + 27 é um buraco negro com uma massa equivalente a cerca de mil milhões de vezes a massa do nosso Sol. Graças à nossa descoberta, podemos dizer que já nos primeiros mil milhões de anos do Universo, existia um grande número de buracos negros muito massivos que emitiam poderosos jactos relativistas. Este resultado impõe restrições rígidas aos modelos teóricos que tentam explicar a origem destes enormes buracos negros no nosso Universo,” conclui Belladitta.

Astronomia On-line
24 de Março de 2020

 

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