Pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb (James Webb) deram uma primeira olhada em seus dados que investigam a química das regiões de discos ao redor de estrelas jovens onde os planetas rochosos se formam. Já nessa fase, os dados revelam que os discos são quimicamente diversos e ricos em moléculas como água, dióxido de carbono e compostos de hidrocarbonetos orgânicos como o benzeno, bem como pequenos grãos de carbono e silicatos. O programa de observação James Webb em andamento, liderado pelo MPIA, MINDS, reunindo vários institutos de pesquisa europeus, promete fornecer uma visão revolucionária sobre as condições que precedem o nascimento dos planetas e, ao mesmo tempo, determinam suas composições.
Novas observações de uma amostra de discos de formação de planetas em torno de estrelas jovens obtidas com o Mid-Infrared Instrument (MIRI) a bordo do Telescópio Espacial James Webb fornecem uma primeira olhada em como essa poderosa ferramenta aumentará nossa compreensão da formação de planetas terrestres . Astrônomos de 11 países europeus se reuniram no projeto MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey) para investigar as condições nas regiões internas desses discos, onde se espera que planetas rochosos se formem a partir do gás e poeira que eles contêm. Eles dão o próximo passo para decifrar as condições dos discos de formação de planetas – um pré-requisito para identificar os processos que levam a corpos sólidos, como planetas e cometas, que compõem os sistemas planetários.
Os resultados iniciais apresentados em dois artigos demonstram a diversidade de berços de planetas rochosos. Os discos variam de ambientes ricos em compostos portadores de carbono, incluindo moléculas orgânicas tão complexas quanto o benzeno, a aglomerados contendo dióxido de carbono e vestígios de água. Como as impressões digitais, esses produtos químicos produzem marcadores identificáveis de maneira única nos espectros que os astrônomos obtiveram com suas observações. Um espectro é uma exibição de luz semelhante a um arco-íris ou, como neste caso, por exemplo, radiação infravermelha, dividindo-a nas cores das quais é composta.
“Estamos impressionados com a qualidade dos dados produzidos pelo MIRI,” diz Thomas Henning, Diretor do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha. Ele é o investigador principal (PI) do programa MINDS de Observação de Tempo Garantido (GTO) do James Webb. “Essa riqueza de linhas espectrais não apenas revela a composição química do material do disco que evolui em planetas e suas atmosferas. Também nos permite determinar condições físicas como densidades e temperaturas através e dentro desses discos formadores de planetas, diretamente onde os planetas crescer.”
Um disco protoplanetário seco com dois tipos de dióxido de carbono
“Agora podemos estudar os componentes químicos nesses discos com muito mais precisão”, diz Sierra Grant, pós-doutora do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) em Garching, Alemanha. Ela é a principal autora de um artigo que analisa um disco em torno de uma jovem estrela de baixa massa que foi publicado no The Astrophysical Journal Letters. “O disco interno quente em torno de GW Lup parece bastante seco. Embora detectemos claramente moléculas contendo carbono e oxigênio, há muito menos água presente do que o esperado”, explica Grant.
Uma lacuna em torno da estrela central sem gás explicaria a falta de água. “Se esse buraco se estendesse até entre as linhas de neve de água e dióxido de carbono, isso explicaria por que encontramos tão pouco vapor de água lá”, diz Grant. As linhas de neve indicam zonas semelhantes a anéis a distâncias variadas da estrela, onde as temperaturas caem para valores onde certas espécies químicas congelam. A linha de neve da água está mais próxima da estrela do que a do dióxido de carbono.
Portanto, se uma cavidade se estender além da linha de neve da água, o gás fora desse perímetro ainda conterá dióxido de carbono, mas apenas pouca água. Qualquer planeta que se formasse lá seria inicialmente bastante seco. Portanto, pequenos objetos gelados como cometas do sistema planetário externo podem ser a única fonte substancial de água. Por outro lado, se um planeta interagindo com o disco fosse o responsável por tal lacuna, isso sugeriria que o planeta teria acumulado água durante sua formação.
A equipe também detectou pela primeira vez uma versão muito mais rara da molécula de dióxido de carbono em um disco protoplanetário contendo um átomo de carbono ligeiramente mais pesado que o tipo muito mais frequente. Em contraste com o dióxido de carbono “normal” que apenas sonda a superfície mais quente do disco, a radiação do irmão mais pesado pode escapar do disco das camadas mais profundas e frias. A análise resulta em temperaturas de cerca de 200 Kelvin (-75 graus Celsius) perto do plano médio do disco a aproximadamente 500 Kelvin (+225 graus Celsius) em sua superfície.
Química rica em carbono em um disco em torno de uma estrela de massa muito baixa
A vida parece exigir carbono, formando compostos complexos. Enquanto moléculas simples contendo carbono, como monóxido de carbono e dióxido de carbono, permeiam a maioria dos discos de formação de planetas, a rica química de hidrocarbonetos do disco seguinte é bastante incomum.
“O espectro do disco em torno da estrela de baixa massa J160532 revela gás hidrogênio quente e compostos de hidrogênio-carbono a temperaturas em torno de 230 graus Celsius”, diz Benoît Tabone, pesquisador do CNRS no Institut d’Astrophysique Spatiale, Paris-Saclay University, França , e autor principal de outro estudo do MINDS, que está disponível no servidor de pré-impressão arXiv. O sinal espectral mais forte provém de moléculas quentes de acetileno, cada uma consistindo de dois átomos de carbono e dois de hidrogênio.
Outros gases igualmente quentes de moléculas orgânicas são o diacetileno e o benzeno, as primeiras detecções em um disco protoplanetário, e provavelmente também o metano. Essas detecções indicam que esse disco contém mais carbono do que oxigênio. Essa mistura na composição química também pode influenciar as atmosferas dos planetas que se formam ali. Em contraste, a água parece quase ausente. Em vez disso, a maior parte da água pode estar presa em seixos gelados do disco externo mais frio, não rastreáveis por essas observações.
Erupções de estrelas jovens produzem sementes para planetas
Além do gás, o material sólido é um constituinte típico dos discos protoplanetários. Grande parte é constituída por grãos de silicato, basicamente areia fina. Eles crescem de nanopartículas para agregados de tamanho mícron estruturados aleatoriamente. Quando aquecidos, podem assumir estruturas cristalinas. Um trabalho publicado por uma equipe liderada por Ágnes Kóspál (MPIA e Konkoly Observatory, Budapeste, Hungria), que não faz parte do programa MINDS, demonstra como tais cristais podem entrar nos seixos rochosos que eventualmente constroem planetas terrestres. Os cientistas encontram esses cristais também em cometas e na crosta terrestre. Esse trabalho também foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.
A equipe redescobriu cristais detectados anos atrás no disco ao redor da estrela EX Lup em erupção recorrente, apenas se recuperando de uma explosão recente. Forneceu o calor necessário para o processo de cristalização. Após um período de ausência, esses cristais agora reaparecem em seus espectros, embora em temperaturas muito mais baixas, afastando-os da estrela. Essa redescoberta indica que explosões repetidas podem ser essenciais para fornecer alguns dos blocos de construção dos sistemas planetários.
Uma era de ouro da pesquisa astronômica
Esses resultados mostram que a chegada do James Webb inaugura uma nova era de ouro na pesquisa astronômica. Já nesse estágio inicial, as descobertas são inovadoras. “Estamos ansiosos pelas outras notícias que o James Webb trará”, declara Henning. Ao todo, o programa MINDS terá como alvo os discos de 50 jovens estrelas de baixa massa. “Estamos ansiosos para aprender sobre a diversidade que encontraremos.”
“Ao refinar os modelos usados para interpretar os espectros, também melhoraremos os resultados disponíveis. Eventualmente, queremos explorar todas as capacidades do James Webb e do MIRI para examinar esses berços planetários”, acrescenta Inga Kamp, colaborador do MINDS e cientista da Kapteyn Instituto Astronômico da Universidade de Groningen, Holanda.
Aprender sobre a formação de planetas em torno de estrelas de massa muito baixa, ou seja, estrelas cerca de cinco a dez vezes menos massivas que o Sol, é particularmente gratificante. Os planetas rochosos são abundantes em torno dessas estrelas, com muitos planetas potencialmente habitáveis já detectados. Portanto, o programa MINDS promete esclarecer algumas das principais questões sobre a formação de planetas semelhantes à Terra e talvez o surgimento da vida.
Informações básicas
O Telescópio Espacial James Webb (James Webb) é o maior e mais poderoso telescópio já lançado no espaço. É uma parceria internacional entre NASA, ESA e CSA.
O Mid-InfraRed Instrument (MIRI) do James Webb, construído por um consórcio europeu de instituições de pesquisa, é um instrumento científico multifuncional para comprimentos de onda infravermelhos entre 5 e 28 mícrons. Ele combina uma câmera de imagem com um espectrógrafo. Com o apoio de parceiros industriais, a MPIA forneceu os mecanismos de todos os elementos de seleção de comprimento de onda, como filtros e rodas de grade, e liderou o projeto elétrico do MIRI.
Publicado em 15/04/2023 19h31
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