Os discos estelares nos revelam os segredos da aparência dos planetas

Imagens detalhadas de discos girando em torno de estrelas jovens contam os detalhes da aparência do sistema solar.

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Nos últimos dois séculos e meio, os cientistas que tentaram imaginar a aparência dos sistemas planetários (incluindo o nosso) se concentraram em um certo ponto: um disco girando em torno de uma estrela recém-nascida , na qual planetas são moldados a partir de gás e poeira, como se fossem argila na roda de oleiro.

Mas e a verificação experimental dessa idéia, a verdadeira descoberta de exoplanetas colados a partir de pedaços de matéria em turbilhão? Até agora, sem sucesso. "Hoje todo mundo diz que os planetas são formados a partir de discos protoplanetários", diz Rubin Dong , astrofísico da Universidade do Arizona. "Mas esta proposta, estritamente falando, é uma afirmação teórica."

As realizações dos últimos anos indicam que não permanecerá teórico por muito tempo. Usando instrumentos de segunda geração localizados em telescópios gigantes terrestres, várias equipes finalmente conseguiram examinar o interior de vários discos protoplanetários, revelando imagens inesperadas e misteriosas.

As observações mais recentes ocorreram em 11 de abril, quando o Observatório Europeu do Sul divulgou oito imagens de discos em torno de estrelas jovens e parecidas com o sol, que talvez nos mostrem como era nosso sistema solar na infância.

As imagens não mostram pontos de luz claros e inequívocos que indicariam os planetas. Mas esses e outros sistemas ainda contêm indícios sedutores, embora indiretos, de que os planetas recém-nascidos podem estar escondidos neles. Alguns discos parecem um disco de vinil, com anéis e lacunas que podem ser esculpidos por mundos jovens. Em outros discos, a estrela destaca as superfícies superior e inferior, formando uma estrutura semelhante ao ioiô.

Se os astrônomos pudessem encontrar o germe do planeta em tal lugar, o ganho seria significativo. Isso não seria apenas uma das idéias mais profundas da astronomia - uma medição numérica do local onde o planeta é formado e seu tamanho ajudaria imediatamente a julgar as teorias conflitantes da formação do planeta.

Uma opinião sobre a formação de planetas é chamada de acréscimo do núcleo, e diz que os planetas se formam lentamente, acumulando-se em torno de núcleos rochosos, em regiões próximas à sua estrela. Outra teoria refere-se às instabilidades gravitacionais do disco, sugerindo que planetas gigantes podem se aglomerar rapidamente e longe de sua estrela. Agora, essas idéias podem ser testadas na distribuição de planetas conhecidos em nosso sistema solar e em sistemas extra-solares. Mas eles nunca foram estudados pelo exemplo do processo em andamento, antes que os planetas tivessem a chance de migrar e reorganizar sua ordem.

Isso dá aos astrônomos que estudam esses sistemas uma meta inacabada unificadora. Olhe para as rodas opacas, distantes e irregulares. Caçar planetas jovens. Finalmente, após séculos de antecipação, comece a descobrir os processos fundamentais que moldam os mundos no universo.

Detecção direta

Na busca de planetas em discos protoplanetários, é fácil nos convencer de que os vemos. Os astrônomos que estudam esses discos já notaram muitos pontos de luz escondidos dentro deles. Por exemplo, em 6 de maio, um grupo internacional relatou sinais de um planeta gigante escondido no sistema CS Chameleon. Mas, por enquanto, esses pontos continuam sendo candidatos a planetas, e não confirmados por mundos.


O sistema Chameleon CS oculta o que parece ser um pequeno companheiro - marcado com um círculo pontilhado. Os filtros polarizadores especiais (imagem azul) permitem ver o disco de poeira com um objeto oculto.

"Agora estamos na vanguarda da tecnologia", disse Catherine Folett , astrônoma do Amherst College. "Em relação aos planetas dentro dos discos, absolutamente todos esses casos são objeto de um debate acalorado."

Uma das principais ferramentas de busca é a SPHERE , montada no Very Large Telescope no Chile, no deserto de Atacama. Ele tirou oito fotografias recentes de discos protoplanetários. O outro, aquele em que Folett roda, é o Gemini Planet Imager (GPI), uma ferramenta concorrente localizada em outra montanha no Chile.


O disco ao redor do TW Hydra possui anéis que podem nos revelar os planetas escondidos lá.

Ambos foram projetados para capturar fótons vindos de planetas orbitando outras estrelas, ao contrário da maioria dos outros estudos de exoplanetas que se baseiam em características indiretas. Ambos produzem dados que são mais fáceis de interpretar após o treinamento em sistemas em estrela mais antigos e organizados, com os discos já esgotados.

Essas câmeras precisam da capacidade de separar pontos fracos de luz de estrelas brilhantes - é como encontrar um vaga-lume sentado à beira de um refletor distante. Eles usam óptica adaptativa , uma tecnologia que rastreia as flutuações atmosféricas e modifica a óptica conforme necessário para compensar distorções. Isso compensa o efeito do ar agitado da Terra, e as estrelas nas imagens param de piscar, dando uma melhor resolução. Eles também usam coronógrafos para cortar a luz que vem da estrela.

Além disso, essas câmeras, procurando planetas, usam outro truque - a imagem diferencial. Por exemplo, o SPHERE tira simultaneamente duas fotos através de diferentes filtros polarizados. A luz das estrelas não tem polarização; portanto, a estrela nas duas fotos parece a mesma. Pode ser subtraído. Mas quando a luz é dispersa, é polarizada. Isso permite que os astrônomos isolem fótons refletidos de um disco ou planeta.

Em seguida, os algoritmos procuram os pontos restantes do mundo. Mas no caso de planetas em discos, o algoritmo pode confundir aglomerados e nuvens com novos mundos.


Os círculos concêntricos ao redor da jovem estrela HD 163296 são provavelmente criados por planetas com aproximadamente Saturno, que limpam áreas inteiras de gás e poeira.

Folette e colegas passaram os últimos anos tentando analisar esses sinais falsos. Eles também estudaram candidatos misteriosos ao planeta, incluindo aqueles que não pareciam se mover em órbitas em torno de sua estrela-mãe, de acordo com as leis do movimento de Kepler , como todos os planetas normais.

Enquanto isso, outro caminho para os planetas se abre. Embora SPHERE e GPI não tenham encontrado uma confirmação definitiva do mundo emergente, eles conseguiram disponibilizar as fotos mais claras de discos protoplanetários.

Quando, finalmente, vimos esses discos em detalhes, descobrimos neles um zoológico inteiro de características estranhas que podem estar associadas à formação de planetas. "Isso mudou completamente o cenário ", disse Konstantin Batygin , astrofísico do Instituto de Tecnologia da Califórnia. "Houve uma revolução."

O problema está na comparação desses recursos com os supostos planetas que os estão causando. E isso é bastante difícil. "Estamos falando de discos como sinais de planetas", disse Folette. "Mas se esses são sinais dos planetas, ainda não sabemos como interpretá-los."

Berço em espiral

Considere a imagem incrível, descoberta pela primeira vez em 2012 . Em pelo menos seis discos protoplanetários, algo torce gás e poeira em espirais semelhantes a conchas ou mangas de galáxias.


O disco protoplanetário em torno da jovem estrela do HL Taurus possui muitos anéis concêntricos. Os astrônomos acreditam que os planetas no processo de formação cortam estruturas complexas nele.

Os astrônomos têm duas idéias principais para explicar o que cria esses braços espirais. Ambos são baseados na velha teoria de espirais galácticas de décadas. De acordo com essa idéia, gás e poeira giram em torno de uma estrela recém-nascida e começam a se acumular à semelhança de um engarrafamento celestial. Mas, no entanto, algo deve causar um distúrbio primário.

Os astrônomos sugeriram que em estrelas cercadas por discos pesados ​​- como pesar pelo menos um quarto da estrela em si - seções gravitacionalmente instáveis ​​podem levar ao acúmulo de material na forma de braços em espiral. Mas os pesquisadores encontraram muitos discos em espiral, cuja massa é muito menor que esse limite, o que significa que algum outro mecanismo deve funcionar aqui.

Talvez valha a pena culpar o marionetista escondido. Em 2015, uma equipe liderada por Dong, um astrofísico do Arizona, criou simulações que mostravam como planetas gigantes, um pouco maiores que Júpiter, poderiam fazer surgir redemoinhos em espiral. O planeta ficará localizado diretamente na ponta de um dos braços e arrastará a espiral para trás, movendo-se em órbita. Nesse caso, cada espiral será uma flecha gigante apontando para a vítima - um planeta em processo de origem.

Em 2016, a equipe de Dong encontrou evidências de que essas espirais poderiam ser geradas por corpos maciços. Nesse caso, o objeto inicial da estrela HD 100453 era uma estrela anã, mais fácil de notar do que o planeta. E ela se tornou uma prova da viabilidade da ideia. "Depois disso, as pessoas começaram a confiar mais nesse modelo", disse Dong.

Encontrar um planeta assim na ponta da manga fecharia essa coisa, mas os astrônomos ainda esperam. Em um artigo recente publicado no The Astrophysical Journal Letters, uma equipe liderada por Bean Wren , pesquisador da Universidade Johns Hopkins, coletou e analisou dados sobre a espiral MWC 758, coletada por mais de dez anos.


Os braços em espiral ao redor da estrela do MWC 758 podem ser criados por um planeta gigante localizado no final de um dos braços

A análise de Wren mostra que, durante esse período, os cachos podiam virar um pouco, cerca de 6/10 graus por ano. Essa rotação corresponde a um planeta gigante na ponta de uma manga que gira a cada 600 anos, disse Ren. Mas esse planeta, se existir, ainda está se escondendo de nós.

É claro que, mesmo que as espirais estejam unicamente ligadas aos planetas, elas não nos levarão a todos os mundos recém-nascidos. Nas simulações, apenas gigantes gasosos são poderosos o suficiente para criar padrões em espiral. Mundos menores terão que ser descobertos de outras maneiras. Além disso, nem todos os discos protoplanetários têm espirais.

Por exemplo, em nenhuma das novas fotografias da SPHERE, os discos formados em torno de estrelas semelhantes ao sol têm braços em espiral. Como disse Henning Avenhaus, do Instituto Astronômico Max Planck, isso sugere que o aparecimento de espirais é mais eficaz em torno de estrelas mais massivas. Mas eles e muitos outros discos protoplanetários demonstram algo mais promissor: quebras.

Planetas nas rachaduras

No outono de 2014, os astrônomos que checavam o ALMA, um conjunto de placas de radiotelescópios nos Andes chilenos, decidiram treiná-lo no disco protoplanetário mais massivo que pudessem encontrar. Quando a imagem final mostrando lágrimas e anéis grossos no sistema HL Taurus foi exibida, todos congelaram.

"E passamos o resto da reunião conversando sobre o HL Taurus", disse Lucas Chiesa , astrônomo da Universidade Diego Portales. Estudando as lacunas, os cientistas reunidos discutiram se eles foram criados pelos planetas. Mais tarde, cientistas do ALMA examinaram imagens de outro sistema próximo, o TW Hydra, nas quais as mesmas lacunas eram visíveis ainda mais detalhadamente. Mas nenhum dos sistemas conseguiu resolver o debate sobre se as quebras foram causadas pelos planetas em formação ou qualquer outra coisa. "Ainda há debate", disse Chiesa.


As 66 antenas do Observatório ALMA estudam o céu acima delas enquanto estão no planalto de Chinantor, nos Andes chilenos.

Como espirais, planetas e outros efeitos podem mudar a forma do gás. Um planeta por milhares e milhões de anos cortará um sulco nele. Ao se mover em órbita, ele atrai o material do disco para si próprio, além de dispersá-lo da órbita , deixando um recorte vazio.

Essa gravação por gravidade deve ser cumulativa. Criar uma espiral requer mais que Júpiter - mas mundos do tamanho de Netuno, ou mesmo tão pequenos quanto a Terra, podem criar entalhes perceptíveis, disse Jeffrey Fang , astrofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley.

"Todos esses planetas têm o potencial de criar recortes suficientemente profundos para que possamos vê-los facilmente com as ferramentas atuais", disse ele. O que é importante, esses recortes podem ser nossa única chance no futuro próximo para estudar a formação de pequenos planetas, o que será ainda mais difícil de notar no disco do que mundos do tamanho de Júpiter.

O que pode criar essas seções, se não planetas? O campo magnético do disco pode criar regiões com turbulência, acelerando o material de áreas que podem se tornar "zonas mortas" magnéticas vazias. Ou mudanças bruscas na composição química podem criar uma lacuna semelhante ao trabalho do planeta. Por exemplo, a linha de neve do sistema estelar marca o limite entre o disco interno quente, onde a água existe na forma de vapor, e o disco externo, onde a água congela em grânulos sólidos. Transições semelhantes ocorrem em outras substâncias, por exemplo, monóxido de carbono e amônia.

Essa confusão força os astrônomos a procurar a chave para uma resposta. "Na melhor das hipóteses, veremos o planeta à parte", disse Fang. Tecnicamente, a tecnologia atual não seria capaz de ver o próprio planeta, mas um disco de material caindo nele ao redor do planeta. Se esse sinal pudesse ser associado a uma espiral ou a uma lacuna, isso ajudaria os observadores a comparar melhor os novos mundos e propriedades do disco entre si.

Espere, talvez não muito tempo. "As fotografias mais interessantes que vi ainda não foram publicadas", disse Chiesa, que se recusou a entrar em detalhes. "Nos próximos meses, podemos esperar muitas coisas muito interessantes."

Os telescópios da próxima geração também devem poder ajudar. O James Webb Space Telescope poderá olhar dentro dos discos em ondas infravermelhas e encontrar diretamente os planetas. Seu lançamento foi adiado recentemente novamente, desta vez para 2020.


O telescópio extremamente grande atualmente sendo construído no Chile usará lasers para criar "estrelas" artificiais na atmosfera superior, o que permitirá que os pesquisadores removam a cintilação do céu.

O problema de aprisionar o processo de formação de planetas é "um excelente desafio científico" para telescópios de 30 metros, disse Bruce McIntosh, da Universidade de Stanford, que dirige a equipe da GPI. Observatórios desse tamanho, como o telescópio extremamente grande que atualmente está sendo construído no Chile, poderão observar estruturas ainda menores dentro dos discos protoplanetários.

E quando isso acontecer, reconhecer a observação da formação do planeta será um "avanço", disse Dong. O que era um conto matemático sobre o nascimento de mundos será exibido em tempo real, em dados reais. "E tudo isso está relacionado à questão fundamental de nossa própria origem."