Pequenos ‘furacões’ que se formam nos discos de gás e poeira ao redor de estrelas jovens podem ser usados para estudar certos aspectos da formação de planetas, mesmo para planetas menores que orbitam suas estrelas a grandes distâncias e estão fora do alcance da maioria dos telescópios.
Pesquisadores da Universidade de Cambridge e do Instituto de Estudos Avançados desenvolveram uma técnica, que usa observações desses “furacões” pelo Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para colocar alguns limites na massa e idade dos planetas em um planeta jovem. sistema estelar.
Nuvens de gases, poeira e gelo semelhantes a panquecas em torno de estrelas jovens – conhecidas como discos protoplanetários – são onde começa o processo de formação de planetas. Através de um processo conhecido como acreção do núcleo, a gravidade faz com que as partículas no disco grudem umas nas outras, eventualmente formando corpos sólidos maiores, como asteróides ou planetas. À medida que os planetas jovens se formam, eles começam a esculpir lacunas no disco protoplanetário, como sulcos em um disco de vinil.
Mesmo um planeta relativamente pequeno – tão pequeno quanto um décimo da massa de Júpiter de acordo com alguns cálculos recentes – pode ser capaz de criar tais lacunas. Como esses planetas “super-Netuno” podem orbitar suas estrelas a uma distância maior do que Plutão orbita o Sol, os métodos tradicionais de detecção de exoplanetas não podem ser usados.
Além dos sulcos, as observações do ALMA mostraram outras estruturas distintas em discos protoplanetários, como arcos e aglomerados em forma de banana ou amendoim. Pensava-se que pelo menos algumas dessas estruturas também eram dirigidas por planetas.
“Algo deve estar causando a formação dessas estruturas”, disse o principal autor, professor Roman Rafikov, do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge e do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. “Um dos mecanismos possíveis para produzir essas estruturas – e certamente o mais intrigante – é que as partículas de poeira que vemos como arcos e aglomerados estão concentradas nos centros dos vórtices de fluidos: essencialmente pequenos furacões que podem ser desencadeados por uma instabilidade particular em as bordas das lacunas esculpidas em discos protoplanetários por planetas.”
Trabalhando com seu Ph.D. estudante Nicolas Cimerman, Rafikov usou essa interpretação para desenvolver um método para restringir a massa ou idade de um planeta se um vórtice for observado em um disco protoplanetário. Seus resultados foram aceitos para publicação em dois artigos separados no Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
“É extremamente difícil estudar planetas menores que estão longe de sua estrela, imaginando-os diretamente: seria como tentar localizar um vaga-lume na frente de um farol”, disse Rafikov. “Precisamos de outros métodos diferentes para aprender sobre esses planetas.”
Para desenvolver seu método, os dois pesquisadores primeiro calcularam teoricamente o tempo que levaria para um vórtice ser produzido no disco por um planeta. Eles então usaram esses cálculos para restringir as propriedades dos planetas em discos com vórtices, basicamente estabelecendo limites mais baixos para a massa ou idade do planeta. Eles chamam essas técnicas de “pesagem de vórtice” e “datação de vórtice” de planetas.
Quando um planeta em crescimento se torna massivo o suficiente, ele começa a empurrar o material do disco para longe, criando uma lacuna reveladora no disco. Quando isso acontece, o material do lado de fora da lacuna se torna mais denso do que o material do lado de dentro da lacuna. À medida que a lacuna se torna mais profunda e as diferenças de densidade tornam-se grandes, uma instabilidade pode ser desencadeada. Essa instabilidade perturba o disco e pode eventualmente produzir um vórtice.
“Com o tempo, vários vórtices podem se fundir, evoluindo em uma grande estrutura que se parece com os arcos que observamos com o ALMA”, disse Cimerman. Como os vórtices precisam de tempo para se formar, os pesquisadores dizem que seu método é como um relógio que pode ajudar a determinar a massa e a idade do planeta.
“Planetas mais massivos produzem vórtices no início de seu desenvolvimento devido à sua gravidade mais forte, então podemos usar os vórtices para colocar algumas restrições na massa do planeta, mesmo que não possamos ver o planeta diretamente”, disse Rafikov.
Usando vários pontos de dados, como espectros, luminosidade e movimento, os astrônomos podem determinar a idade aproximada de uma estrela. Com esta informação, os pesquisadores de Cambridge calcularam a menor massa possível de um planeta que poderia estar em órbita ao redor da estrela desde que o disco protoplanetário se formou e foi capaz de produzir um vórtice que pôde ser visto pelo ALMA. Isso os ajudou a colocar um limite inferior na massa do planeta sem observá-lo diretamente.
Ao aplicar esta técnica a vários discos protoplanetários conhecidos com arcos proeminentes, sugestivos de vórtices, os pesquisadores descobriram que os supostos planetas que criam esses vórtices devem ter massas de pelo menos várias dezenas de massas terrestres, na faixa de super-Netuno.
“No meu trabalho diário, muitas vezes me concentro nos aspectos técnicos da realização das simulações”, disse Cimerman. “É emocionante quando as coisas se encaixam e podemos usar nossas descobertas teóricas para aprender algo sobre sistemas reais.”
“Nossas restrições podem ser combinadas com os limites fornecidos por outros métodos para melhorar nossa compreensão das características planetárias e dos caminhos de formação de planetas nesses sistemas”, disse Rafikov. “Ao estudar a formação de planetas em outros sistemas estelares, podemos aprender mais sobre como nosso próprio sistema solar evoluiu.”
Publicado em 14/01/2023 21h18
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