2856: ALMA testemunha formação planetária em acção

CIÊNCIA

Impressão de artista do gás que flui como uma cascata para uma abertura num disco proto-planetário, provavelmente provocado por um planeta em formação.
Crédito: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Pela primeira vez, os astrónomos que usam o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) testemunharam os movimentos 3D de gás num disco proto-planetário. Em três locais do disco em torno de uma jovem estrela chamada HD 163296, o gás flui como uma cascata para aberturas que são provavelmente provocadas por planetas em formação. Estes fluxos gasosos há muito que foram previstos e influenciam directamente a composição química das atmosferas dos planetas. Esta investigação foi publicada na edição mais recente da revista Nature.

Os locais de nascimento dos planetas são discos feitos de gás e poeira. Os astrónomos estudam estes chamados discos proto-planetários a fim de entender os processos de formação planetária. As incríveis imagens destes discos, obtidas com o ALMA, mostram lacunas distintas e características anulares na poeira, que podem ser provocadas por planetas bebés.

Para ter mais certeza de que os planetas provocam estas divisões, e para ter uma visão completa da formação planetária, os cientistas estudam o gás nos discos, além da poeira. Noventa e nove por cento da massa de um disco proto-planetário é gás, dos quais o monóxido de carbono (CO) é o componente mais brilhante, e o ALMA pode observá-lo.

No ano passado, duas equipas de astrónomos demonstraram uma nova técnica de caça planetária usando este gás. As equipas mediram a velocidade do gás monóxido de carbono que gira em redor da jovem estrela HD 163296. Distúrbios localizados nos movimentos do gás revelaram três padrões semelhantes a planetas no disco.

Neste novo estudo, o autor principal Richard Teague da Universidade do Michigan e a sua equipa usaram novos dados ALMA de alta resolução do projecto DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) para estudar em mais detalhe a velocidade do gás. “Com os dados de alta fidelidade deste programa, conseguimos medir a velocidade do gás em três direcções, em vez de apenas uma,” disse Teague. “Pela primeira vez, medimos o movimento do gás em todas as direcções possíveis. Girando, aproximando-se ou afastando-se da estrela, e para cima ou para baixo no disco.”

Teague e colegas viram o gás movendo-se das camadas superiores em direcção ao meio do disco em três locais diferentes. “O que provavelmente acontece é que um planeta em órbita em redor da estrela empurra o gás e a poeira para o lado, abrindo uma lacuna,” explicou Teague. “O gás acima da divisão entra em colapso como uma cascata, provocando um fluxo giratório de gás no disco.”

Esta é a melhor evidência, até à data, de que realmente existem planetas em formação em torno de HD 163296. Mas os astrónomos não podem dizer com 100% de certeza que os planetas provocam o fluxo de gás. Por exemplo, o campo magnético da estrela também pode provocar distúrbios no gás. “De momento, apenas a observação directa dos planetas podia descartar as outras opções. Mas os padrões deste gás são únicos e, muito provavelmente, apenas os planetas podem provocá-los,” disse o co-autor Jaehan Bae, do Instituto Carnegie para Ciência, que testou esta teoria com uma simulação de computador do disco.

As posições dos três planetas previstos neste estudo correspondem aos resultados do ano passado. Estão provavelmente localizados a 87, 140 e 237 UA (1 UA, ou unidade astronómica, é a distância média da Terra ao Sol). Calculou-se que o planeta mais próximo de HD 163296 tem metade da massa de Júpiter e o planeta mais distante tenha o dobro da massa de Júpiter.

Os fluxos de gás da superfície para o plano médio do disco proto-planetário foram previstos no final da década de 1990. Mas esta é a primeira vez que os astrónomos os observam. Além de serem úteis para detectar planetas bebés, estes fluxos também podem esculpir a nossa compreensão de como os planetas gigantes gasosos obtêm as suas atmosferas.

“Os planetas formam-se na camada intermédia do disco, no chamado plano médio. Este é um lugar frio, protegido da radiação estelar,” explicou Teague. “Nós pensamos que estas aberturas provocadas pelos planetas trazem gás mais quente das camadas externas e quimicamente mais activas do disco e que este gás irá formar a atmosfera do planeta.”

Teague e a sua equipa não esperavam poder ver este fenómeno. “O disco em torno de HD 163296 é o maior e o mais brilhante disco que podemos ver com o ALMA,” salientou Teague. “Mas foi uma grande surpresa ver estes fluxos de gás com tanta nitidez. Os discos parecem ser muito mais dinâmicos do que pensávamos.”

“Isto dá-nos uma imagem muito mais completa da formação dos planetas do que jamais sonhámos,” disse o co-autor Ted Bergin da Universidade de Michigan. “Ao caracterizar estes fluxos, podemos determinar como nascem os planetas como Júpiter e caracterizar a sua composição química durante o nascimento. Podemos ser capazes de usar isto para rastrear o local de nascimento destes planetas, pois podem mover-se durante a formação.”

Astronomia On-line
18 de Outubro de 2019

 

Planetas gigantes e cometas “à luta” no disco circum-estelar em torno de HD 163296

O disco circum-estelar em torno de HD 163296 e o sistema de divisões e anéis criados pelos seus jovens planetas gigantes, observado recentemente pelo ALMA (Projecto DSHARP).
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello

Num estudo publicado na revista The Astrophysical Journal, uma equipa de investigadores do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), Itália, investigou se as características anómalas nas distribuições de poeira e gás no disco de HD 163296, reveladas pelas observações do ALMA, poderiam surgir das interacções dos planetas gigantes com um componente do disco anteriormente não encontrado: planetesimais.

Os discos circum-estelares compostos de gás e poeira que rodeiam as jovens estrelas em formação são o ambiente no qual os planetas nascem. A sua poeira fornece o material de construção a partir do qual os planetas começam o seu crescimento e, como resultado da sua incorporação nos corpos planetários, a sua abundância deve diminuir com o tempo. Desde as suas primeiras imagens de anéis concêntricos brilhantes do disco circum-estelar em torno de HL Tau, o ALMA tem revolucionado a nossa visão dos discos circum-estelares revelando a presença generalizada de um número de estruturas de pequena escala (divisões, anéis e braços espirais) no seu gás e poeira, a maioria das quais pensa-se estar ligada à presença de planetas jovens e surgir da interacção da sua gravidade com o ambiente circundante.

Entre os discos mais bem estudados, observados pelo ALMA, está o que rodeia HD 163296, uma estrela com cinco milhões de anos e com cerca de duas vezes a massa do Sol. O disco de HD 163296 é tanto massivo (pouco menos de um-décimo da massa do Sol) quanto largo (cerca de 500 UA, duas vezes o tamanho do limite externo da Cintura de Kuiper no Sistema Solar) e foi proposto abrigar pelo menos três planetas com massas compreendidas entre duas vezes a de Úrano e uma vez a de Júpiter. As observações mais recentes do ALMA permitiram caracterizar espacialmente e composicionalmente a estrutura do disco de HD 163296 para um nível anteriormente nem sonhado e mostrou como a poeira ainda é bastante abundante (mais de 300 vezes a massa da Terra) neste disco apesar da sua idade e de ter produzido pelo menos três planetas gigantes. As mesmas observações também relevaram alguns comportamentos estranhos da distribuição espacial da poeira que não podiam ser facilmente explicados apenas como resultado da sua interacção com o gás e os planetas gigantes recém-formados.

Espera-se que a poeira migre para dentro a partir das regiões externas do disco devido ao seu agrupamento e fricção com o gás, mas também se espera que a migração seja interrompida por planetas massivos. Como resultado desse fluxo para o interior, a poeira deveria desaparecer, com o tempo, da região imediatamente para dentro do planeta mais interior de HD 163296. Ao mesmo tempo, a poeira proveniente das regiões externas do disco deve acumular-se fora das órbitas do segundo e do terceiro planeta. As observações do ALMA revelaram, em vez disso, que as regiões para dentro do primeiro planeta e entre o primeiro e o segundo planeta têm algumas das maiores concentrações de poeira de todo o disco. Num estudo publicado na revista The Astrophysical Journal, uma equipa de investigadores explorou se estas características anómalas podem surgir da interacção dos planetas gigantes com um componente do disco anteriormente não contabilizado: planetesimais.

“A partir do estudo do Sistema Solar, sabemos que os discos circum-estelares maduros como o de HD 163296 não são compostos apenas por gás e poeira, mas também contêm uma população invisível de pequenos objectos planetários semelhantes aos nossos asteróides e cometas,” explica Diego Turrini, autor principal do estudo e investigador do IAPS (Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali) do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica). “Sabemos também que o aparecimento de planetas gigantes afecta estes planetesimais causando, na sua evolução, um breve, mas intenso pico de excitação dinâmica que, embora curto do ponto de vista da longa vida de um sistema planetário, pode ter uma duração comparável à vida dos discos circum-estelares,” continua Turrini.

A equipa quis saber se estas interacções entre os planetas gigantes jovens de HD 163296 e os planetesimais invisíveis podiam produzir as anomalias observadas na distribuição da poeira. As simulações que realizaram mostraram como, durante o crescimento dos três planetas gigantes, uma fracção cada vez maior da população de planetesimais na vizinhança é injectada em órbitas muito excêntricas e muito inclinadas, semelhantes às dos cometas no Sistema Solar. “O principal resultado dessa excitação dinâmica é uma taxa mais alta de colisões violentas entre os planetesimais”, explica Francesco Marzari, professor da Universidade de Pádua e co-autor do estudo.

Quando analisaram o resultado das simulações dinâmicas através de um modelo colisional, a equipa descobriu que as colisões entre os planetesimais permanecem bastante gentis até que os planetas gigantes se aproximam das suas massas finais, mas que depois crescem drasticamente em violência e começam a “moer” os planetesimais. “Estas colisões violentas reabastecem a população de poeira no disco,” salienta Marzari. “A nova poeira produzida por este processo, no entanto, tem uma distribuição orbital diferente da original e concentra-se principalmente em dois lugares: a região orbital dentro do primeiro planeta gigante e no anel entre o primeiro e o segundo planeta.” As mesmas duas regiões onde as observações do ALMA revelaram as maiores discrepâncias com o que era teoricamente esperado.

A equipa descobriu que a excitação dinâmica provocada pela formação dos três planetas gigantes ainda deveria estar a agir até ao momento sobre os planetesimais incorporados no disco de HD 163296. Os autores também descobriram que a produção colisional resultante e sustentada de poeira é capaz de injectar dezenas de vezes a massa da Terra, em poeira, nessas duas regiões orbitais, explicando as observações do ALMA também de um ponto de vista quantitativo. “Até agora, o estudo deste tipo de processo enquanto ocorria nos discos circum-estelares só era possível por meio de simulações,” comenta Turrini. “Graças ao ALMA, podemos agora estudá-lo e aprender muito sobre a interacção entre a formação planetária e o ambiente circundante.”

“A rapidez com que o ALMA está a fornecer dados novos e mais detalhados sobre HD 163296 permitiu-nos expandir o nosso estudo para lá do seu objectivo original,” explica Danai Polychroni, co-autor do estudo e na altura professor na Universidade do Atacama e investigador adjunto do INAF-IAPS. “Percebemos que muitos planetesimais são excitados a velocidades supersónicas em relação ao gás circundante do disco e que podem criar ondas de choque que podem aquecer tanto os próprios planetesimais quanto o gás. Embora ainda não pudéssemos modelar esse processo em detalhe, observações recentes relataram a presença inesperada do gás CO (monóxido de carbono) em regiões caracterizadas por temperaturas onde deveria encontrar-se no estado sólido e por possíveis anomalias na estrutura térmica do disco. Ambos os achados podem, em princípio, ser explicados graças à presença destes planetesimais supersónicos e às ondas de choque que produzem.”

“Este estudo começou como um projecto para explorar se a excitação dinâmica provocada por planetas gigantes recém-formados podia realmente produzir efeitos observáveis. Como tal, nós apenas ‘arranhámos a superfície’ deste processo e das suas implicações,” observa Leonardo Testi, também co-autor do estudo e chefe do Centro de Apoio ALMA do ESA e investigador do INAF em licença. “No entanto, a sua ‘receita’ física é bastante simples: planetas massivos que se formam num disco de planetesimais. Dadas as assinaturas generalizadas de possíveis planetas gigantes jovens que estamos a descobrir com o ALMA e dada a longa duração dos efeitos dinâmicos provocados pelo seu aparecimento, podemos estar à procura de um processo que é bastante comum entre os discos circum-estelares.”

“O contexto do trabalho liderado por Diego Turrini é um dos pilares da sinergia GENESIS,” explica Claudio Codella do INAF (Osservatorio Astrofisico di Arcetri), investigador principal do projecto GENESIS-SKA, financiado pelo INAF. “O GENESIS-SKA é um projecto nacional onde participam mais de 60 investigadores de 8 institutos do INAF e onde trabalham em íntima colaboração com o objectivo geral de investigar as condições favoráveis à formação de sistemas planetários parecidos com o nosso Sistema Solar”. “Os resultados do presente projecto,” acrescenta Codella, “serão de extrema importância também para o estudo das composições químicas do gás localizado nas regiões onde os planetas se formarão e, possivelmente, das suas atmosferas.”

Astronomia On-line
31 de Maio de 2019


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