Usando dados de velocidade do gás, os cientistas observando Elias 2-27 foram capazes de medir diretamente a massa do disco protoplanetário da jovem estrela e também rastrear perturbações dinâmicas no sistema estelar. Visíveis nesta animação estão os dados de emissão do contínuo de poeira de 0,87 mm (azul), junto com as emissões dos gases C18O (amarelo) e 13CO (vermelho).
Uma equipe de cientistas usando o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) para estudar a jovem estrela Elias 2-27 confirmou que as instabilidades gravitacionais desempenham um papel fundamental na formação do planeta e, pela primeira vez, mediram diretamente a massa de discos protoplanetários usando dados de velocidade do gás, potencialmente desvendando um dos mistérios da formação de planetas.
Os resultados da pesquisa são publicados hoje em dois artigos no The Astrophysical Journal.
Os discos protoplanetários – discos formadores de planetas feitos de gás e poeira que circundam estrelas jovens recém-formadas – são conhecidos pelos cientistas como o local de nascimento dos planetas. O processo exato de formação do planeta, entretanto, permanece um mistério. A nova pesquisa, liderada por Teresa Paneque-Carreño – recém-formada pela Universidad de Chile e estudante de doutorado na Universidade de Leiden e no Observatório Europeu do Sul, e autora principal do primeiro dos dois artigos – concentra-se em desvendar o mistério da formação do planeta.
Durante as observações, os cientistas confirmaram que o sistema estelar Elias 2-27 – uma jovem estrela localizada a menos de 400 anos-luz de distância da Terra na constelação de Ophiuchus – estava exibindo evidências de instabilidades gravitacionais que ocorrem quando os discos formadores de planetas carregam uma grande fração de a massa estelar do sistema. “Como exatamente os planetas se formam é uma das principais questões em nosso campo. No entanto, existem alguns mecanismos chave que acreditamos podem acelerar o processo de formação do planeta”, disse Paneque-Carreño. “Encontramos evidências diretas de instabilidades gravitacionais no Elias 2-27, o que é muito emocionante porque esta é a primeira vez que podemos mostrar provas cinemáticas e de múltiplos comprimentos de onda de um sistema sendo gravitacionalmente instável. Elias 2-27 é o primeiro sistema que verifica todas as caixas.”
As características únicas do Elias 2-27 o tornaram popular entre os cientistas do ALMA por mais de meia década. Em 2016, uma equipe de cientistas usando o ALMA descobriu um cata-vento de poeira girando em torno da jovem estrela. Acreditava-se que as espirais eram o resultado de ondas de densidade, comumente conhecidas por produzirem os braços reconhecíveis de galáxias espirais – como a Via Láctea – mas, na época, nunca haviam sido vistas em torno de estrelas individuais.
“Descobrimos em 2016 que o disco Elias 2-27 tinha uma estrutura diferente de outros sistemas já estudados, algo não observado em um disco protoplanetário antes: dois braços espirais de grande escala. As instabilidades gravitacionais eram uma forte possibilidade, mas a origem destes estruturas permaneciam um mistério e precisávamos de mais observações “, disse Laura Pérez, professora assistente da Universidade do Chile e pesquisadora principal do estudo de 2016. Junto com colaboradores, ela propôs observações adicionais em várias bandas do ALMA que foram analisadas com Paneque-Carreño como parte de seu M.Sc. tese na Universidad de Chile.
Além de confirmar as instabilidades gravitacionais, os cientistas encontraram perturbações – ou distúrbios – no sistema estelar acima e além das expectativas teóricas. “Ainda pode haver novo material da nuvem molecular circundante caindo no disco, o que torna tudo mais caótico”, disse Paneque-Carreño, acrescentando que esse caos contribuiu para fenômenos interessantes nunca observados antes e para os quais os cientistas o fizeram nenhuma explicação clara. “O sistema estelar Elias 2-27 é altamente assimétrico na estrutura do gás. Isso foi completamente inesperado, e é a primeira vez que observamos tal assimetria vertical em um disco protoplanetário.”
Cassandra Hall, professora assistente de astrofísica computacional da Universidade da Geórgia e co-autora da pesquisa, acrescentou que a confirmação da assimetria vertical e das perturbações de velocidade – as primeiras perturbações em grande escala ligadas à estrutura espiral em um disco protoplanetário – pode ter implicações significativas para a teoria da formação de planetas. “Isso pode ser uma ‘arma fumegante’ de instabilidade gravitacional, que pode acelerar alguns dos primeiros estágios da formação do planeta. Previmos essa assinatura pela primeira vez em 2020 e, do ponto de vista da astrofísica computacional, é empolgante estar certo.”
Paneque-Carreño acrescentou que embora a nova pesquisa tenha confirmado algumas teorias, também levantou novas questões. “Embora as instabilidades gravitacionais possam agora ser confirmadas para explicar as estruturas espirais no continuum de poeira ao redor da estrela, há também uma lacuna interna, ou material ausente no disco, para o qual não temos uma explicação clara.”
Uma das barreiras para a compreensão da formação do planeta era a falta de medição direta da massa dos discos formadores de planetas, um problema abordado na nova pesquisa. A alta sensibilidade do ALMA Band 6, emparelhado com as Bandas 3 e 7, permitiu à equipe estudar mais de perto os processos dinâmicos, densidade e até mesmo a massa do disco. “As medições anteriores da massa do disco protoplanetário foram indiretas e baseadas apenas em poeira ou isotopólogos raros. Com este novo estudo, agora somos sensíveis a toda a massa do disco”, disse Benedetta Veronesi – um estudante graduado da Universidade de Milão e pesquisador de pós-doutorado na École normale supérieure de Lyon, e o autor principal no segundo artigo. “Essa descoberta é a base para o desenvolvimento de um método para medir a massa do disco que nos permitirá quebrar uma das maiores e mais urgentes barreiras no campo da formação de planetas. Saber a quantidade de massa presente nos discos formadores de planetas nos permite determinar a quantidade de material disponível para a formação dos sistemas planetários e entender melhor o processo pelo qual eles se formam.”
Embora a equipe tenha respondido a uma série de questões-chave sobre o papel da instabilidade gravitacional e da massa do disco na formação do planeta, o trabalho ainda não foi concluído. “Estudar como os planetas se formam é difícil porque leva milhões de anos para formar planetas. Esta é uma escala de tempo muito curta para estrelas, que vivem milhares de milhões de anos, mas um processo muito longo para nós”, disse Paneque-Carreño. “O que podemos fazer é observar estrelas jovens, com discos de gás e poeira ao seu redor, e tentar explicar por que esses discos de material têm essa aparência. É como olhar para a cena de um crime e tentar adivinhar o que aconteceu. Nossa análise observacional emparelhada com uma futura análise aprofundada de Elias 2-27 nos permitirá caracterizar exatamente como as instabilidades gravitacionais atuam nos discos formadores de planetas e obter mais informações sobre como os planetas são formados.”
Publicado em 19/06/2021 12h45
Artigo original:
Estudo original: