Pode dizer-se que um dos aspectos mais desconcertantes do nosso sistema solar é o fato de nem todos os planetas serem uma rocha sólida e agradável como a Terra. Alguns são literalmente, quase inteiramente, feitos de gás. Em Júpiter não se pode “ficar de pé” em lado nenhum, a não ser que se consiga cair através das suas camadas gasosas e sobreviver a uma quantidade irreal de pressão antes de chegar ao núcleo potencialmente rochoso do mundo alaranjado. Isso não parece ideal.
Mesmo os criadores de videojogos de ficção científica têm por vezes dificuldade em descrever como seria atravessar um destes mundos. A primeira coisa que tentei fazer depois de ter liberdade de ação no jogo Starfield para a Xbox foi aterrar a minha nave no Neptuno simulado, só para ver o que acontecia. O jogo não o permitiu. Escusado será dizer que o mistério dos orbes de gás maciços também é muito intrigante para os cientistas. E agora que têm à disposição os incrivelmente poderosos olhos infravermelhos do Telescópio Espacial James Webb, estão a colocar o instrumento espacial no caso.
Na semana passada, uma equipe anunciou que, graças ao James Webb, poderá ter informações actualizadas sobre a dinâmica da formação dos gigantes gasosos. Mais especificamente, os investigadores dizem que começaram fazendo progressos na resposta à questão de quanto tempo os gigantes gasosos têm para se formar à volta das suas estrelas hospedeiras antes que todo o gás à volta dessas estrelas se desvaneça.
A resposta curta é: não muito tempo – mas a história completa é muito mais matizada.
A equipe utilizou o James Webb para sondar o que é (de forma um pouco confusa) conhecido como “vento do disco”. Isto não se refere realmente a um vento como se pode imaginar. Refere-se antes ao processo de saída de gás de um disco em torno de uma estrela. Este “disco” seria um disco cheio de diferentes tipos de material com potencial para dar origem a planetas. É, por isso, também conhecido como “disco protoplanetário”.
“Sabíamos que existiam e que podiam desempenhar um papel importante na evolução do disco”, disse Naman Bajaj, autor principal da nova análise dos ventos do disco e cientista do Laboratório de Ciência Lunar e Planetária da Universidade do Arizona, ao Space.com. “O que não sabíamos era a física subjacente e, consequentemente, a quantidade de massa que está sendo perdida. Isto é fundamental para responder a todas as nossas perguntas sobre o seu impacto”.
Um tal disco incluiria também detritos não gasosos, como poeira que se pode juntar ao longo do tempo para criar planetas rochosos. De fato, é assim que se acredita que a Terra se formou em tempos.
“Pelo nome, só posso suspeitar que é por causa da sua velocidade ‘lenta'”, disse Bajaj. O disco de vento estudado pela equipe, explica, parece mover-se a uma velocidade de cerca de 10 a 15 quilômetros (6 a 9 milhas) por segundo. Por outro lado, os padrões de gás em movimento rápido são normalmente designados por “jactos”. Estes podem apresentar velocidades superiores a 100 quilômetros (62 milhas) por segundo.
Embora Bajaj e os seus colegas investigadores não tenham chegado a uma resposta final, firmemente confirmada, quanto ao tempo que os planetas gasosos poderão ter para se formarem antes de o gás do disco protoplanetário se esgotar completamente, Bajaj ofereceu uma estimativa baseada nos seus cálculos. “Considerando a massa de gás neste disco e assumindo que o gás continuará a sair a esta taxa constante que encontrámos – cerca de uma lua de massa por ano – demorará aproximadamente 100.000 anos”, estima.
Sim, parece-me um longo (longo) tempo. Mas, como Bajaj sublinhou, é uma escala de tempo incrivelmente curta em termos astronómicos: “Um disco protoplanetário vive entre cinco a 10 milhões de anos!”
Como encontrar um disco espacial
O primeiro passo para abordar os movimentos de vento de disco é simplesmente encontrar um objeto de vento de disco. E para encontrar um objeto de vento de disco, é necessário encontrar um disco protoplanetário, claro.
O nosso sistema solar não funciona para este tipo de análise, porque todos os nossos planetas estão completos – incluindo os gasosos. Assim, o alvo do vento de disco da equipe acabou por ser um associado ao disco em torno de uma estrela jovem e de baixa massa chamada T Cha. Honestamente, esta é uma estrela super interessante por si só. O corpo cintilante, que se encontra a cerca de 350 anos-luz da Terra, é conhecido por ter um grande intervalo de poeira no seu disco. Este buraco de poeira é exatamente o que parece.
“Pensa-se que estes buracos são criados por planetas que consomem todo o material que se encontra no seu caminho enquanto dão a volta à estrela”, disse Bajaj.
Por conseguinte, este hiato sugere que a estrela tem, de fato, planetas em desenvolvimento à sua volta e que é suficientemente antiga para que esses mundos nascentes tenham tido tempo de consumir parte do próprio disco. “Também chamamos a isto a fase de transição”, disse Bajaj. “Está a passar de um disco protoplanetário para uma estrutura mais parecida com um sistema solar”. Além disso, Bajaj explica que observações anteriores baseadas em terra sugeriram a existência de néon no disco, que marca essencialmente a forma como o gás do disco está a sair lentamente. Mais sobre isso em breve.
Assim, tínhamos em mãos um excelente objeto de disco. O passo seguinte era começar fazendo algumas observações para ver o que se estava a passar à volta de T Cha.
Estava na altura de seguir o rasto de alguns néons. Nas regiões exteriores de um disco protoplanetário tende a haver mais massa, o que leva a planetas mais maciços no seu conjunto – o que incluiria gigantes gasosos do género de Júpiter. Para além disso, as próprias estrelas hospedeiras têm uma palavra a dizer sobre o assunto.
“Os planetas rochosos muito próximos da estrela terão muito pouca ou nenhuma atmosfera [como Mercúrio], uma vez que serão eliminados pelos fótons de alta energia do Sol – semelhante à fotoevaporação”, disse Bajaj. “Para os gigantes gasosos, se se formarem perto da estrela, é possível que encontrem um equilíbrio entre o seu gás e a energia do Sol”.
E, finalmente, embora seja extremamente cliché dizer nesta altura, tudo isto é prova de como o Telescópio Espacial James Webb está a revolucionar a nossa compreensão do Universo. A sua sensibilidade aos infravermelhos é certamente imensa, mas muitas das suas descobertas devem-se ao conjunto de trabalhos já disponíveis para desenvolvimento – a biblioteca de documentos que ajudou os cientistas a decidir para onde, precisamente, o James Webb deveria olhar.
“Estamos realmente sobre os ombros de gigantes – e de telescópios gigantes”, disse Bajaj.Nobreza gasosa
O néon é um gás nobre, que é uma categoria de elementos representada por átomos com as camadas exteriores de elétrons totalmente preenchidas, ou camadas de valência. Simplesmente, devido a essa caraterística da camada de valência, estes gases são muito pouco reativos. No entanto, ainda é possível que percam um desses elétrons exteriores se forem expostos a uma temperatura suficientemente elevada. Se isso acontecesse, o gás tornar-se-ia “ionizado”, ou eletricamente carregado.
Como os elétrons têm uma carga negativa, a perda de um deles torna um átomo anteriormente neutro um pouco mais positivo. A obtenção de um elétron extra tornaria, da mesma forma, um átomo previamente neutro um pouco mais negativo. Mas, o que é importante para os astrônomos, quando uma ionização deste tipo acontece algures no Universo, é deixada uma assinatura que pode ser detectada pelo seu equipamento. Isto inclui o Telescópio Espacial James Webb.
E, como explica Bajaj, a assinatura do néon é particularmente especial para o rastreio do vento do disco.
Em primeiro lugar, alguns gases têm maior probabilidade de existir em discos protoplanetários. O néon leve é um deles. “Para os gases nobres mais pesados, a sua abundância é muito baixa, pelo que não os veríamos”, explicou Bajaj.
Em segundo lugar, a ionização ocorre de forma diferente para elementos diferentes. Por vezes, é necessária uma temperatura muito elevada para expulsar um elétron de um átomo; outras vezes, os elétrons saem mais facilmente e fazem-no a temperaturas mais baixas.
“O hélio, que é muito mais abundante do que qualquer um destes [gases nobres], tem um requisito de temperatura muito mais elevado para se ionizar”, disse Bajaj.
No entanto, o néon, por outro lado, cuspirá um elétron sob requisitos de temperatura mais modestos – razão pela qual a equipe procurou especificamente linhas de emissão de néon para ver como o gás evolui dentro do disco protoplanetário de T Cha. Em suma, encontraram duas.
“Quando vimos o espetro pela primeira vez – na minha primeira semana de licenciatura – vimos que ambas as linhas de néon estavam a explodir!” Bajaj comentou, acrescentando que uma dessas linhas nunca tinha sido vista antes em torno de T Cha. “Descobrimos que o néon vinha de mais longe da estrela olhando para ela com o James Webb”.
“Passei muitos meses tentando descobrir, a partir das imagens, se conseguimos ver a estrutura de emissão de néon; foi muito difícil”, disse Bajaj. Demorou cerca de oito meses, explicou, até conseguir confirmar, a partir das imagens do James Webb, que a estrutura estava efetivamente lá.
Mas isso não é tudo. Houve uma surpresa.
Juntamente com as linhas de néon, a equipe encontrou uma linha de árgon muito forte, disse Bajaj. Embora uma linha de árgon como esta já tivesse sido vista em alguns discos protoplanetários, nenhuma tinha aparecido tão forte.
Depois, houve outra surpresa.
“Sempre pensámos que tínhamos duas linhas de emissão de néon e uma linha de emissão de árgon, mas um belo dia estava a analisar o espetro e descobri que tínhamos outra linha de árgon”, disse Bajaj. “Esta era muito mais fraca do que todas as outras, por isso não a vimos durante algum tempo”.
“Apercebemo-nos de que é a primeira vez que vemos esta linha num disco protoplanetário!”, acrescentou. “Alguns dos investigadores seniores pensaram que nunca seria possível fazer isto, mas com alguns testes mais rigorosos durante alguns meses, confirmámos que o tínhamos feito.”
Para onde vamos a partir daqui”
Um ponto importante que Bajaj reiterou foi que o novo resultado da equipe é realmente um pequeno, embora crucial, passo na grande marcha para compreender melhor a natureza alucinante dos planetas gasosos. De onde é que vêm estas estranhas esferas de gás? A sua arquitetura parece tão difícil de compreender.
O novo trabalho não só reforça muitas observações anteriores realizadas neste domínio (algumas das quais, aliás, foram conduzidas pelos co-autores de Bajaj), como também abre a porta a uma série de estudos futuros fascinantes. Com estes pormenores sobre os ventos do disco em mãos, por exemplo, Andrew Sellek, coautor do estudo e investigador de pós-doutoramento na Universidade de Leiden, nos Países Baixos, elaborou um artigo subsequente que descreve simulações que sugerem que o processo de ventos do disco é impulsionado por algo chamado fotoevaporação.
Correndo o risco de simplificar demasiado, a fotoevaporação refere-se, neste caso, à energia de uma estrela que aquece o gás no disco à sua volta, o que obriga esse gás a dispersar-se no espaço. “É muito parecido com a forma como a água se evapora na Terra”, disse Bajaj. O artigo de Sellek foi recentemente aceite para publicação no The Astronomical Journal; uma pré-impressão está disponível para consulta aqui.
Ok, nesta altura posso estar a divagar um pouco, mas depois de me ter aprofundado tanto na dinâmica do vento do disco, não posso deixar de considerar como o assunto é satisfatório. É quase como se as peças simplesmente se encaixassem.
Por exemplo, devido à forma como o gás parece sair de um disco protoplanetário, é verdade que quando o gás desaparece, só se podem formar planetas rochosos. Também é verdade que os mundos gasosos, e em particular os gigantes gasosos, têm maior probabilidade de aparecer nas zonas exteriores de um sistema planetário.
Publicado em 27/03/2024 16h51
Artigo original:
Estudo original: