ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Pequenos “furacões” que se formam nos discos de gás e poeira em torno de estrelas jovens podem ser usados para estudar certos aspetos da formação planetária, mesmo para planetas mais pequenos que orbitam as suas estrelas a grandes distâncias e estão fora de alcance para a maioria dos telescópios.
Investigadores da Universidade de Cambridge e do Instituto de Estudos Avançados desenvolveram uma técnica que utiliza observações destes “furacões” pelo ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimetre Array) para colocar alguns limites à massa e idade dos planetas num sistema estelar jovem.
O processo de formação planetária começa em nuvens de gases, poeira e gelo semelhantes a panquecas que rodeiam estrelas jovens – conhecidas como discos protoplanetários.
Através de um processo conhecido como acreção do núcleo, a gravidade faz com que as partículas do disco se colem umas às outras, acabando por formar corpos sólidos maiores, tais como asteroides ou planetas. À medida que os planetas jovens se formam, começam a esculpir lacunas no disco protoplanetário, como sulcos num 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. Dado que estes planetas “super-Neptunos” podem orbitar a sua estrela a uma distância maior do que Plutão orbita o Sol, os métodos tradicionais de deteção exoplanetária não podem ser utilizados.
Para além dos sulcos, as observações do ALMA mostraram outras estruturas distintas em discos protoplanetários, tais como arcos em forma de banana ou amendoim e tufos. Pensava-se que pelo menos algumas destas estruturas eram também conduzidas por planetas.
“Algo deve estar a causar a formação destas estruturas”, disse o professor Roman Rafikov do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge e do Instituto para Estudos Avançados em Princeton, New Jersey, EUA.
“Um dos mecanismos possíveis para produzir estas estruturas – e certamente o mais intrigante – é que as partículas de poeira que vemos como arcos e tufos estão concentradas nos centros de vórtices fluídos: essencialmente pequenos furacões que podem ser desencadeados por uma instabilidade particular nas bordas das lacunas esculpidas em discos protoplanetários pelos planetas”.
Trabalhando com o seu aluno de doutoramento Nicolas Cimerman, Rafikov usou esta interpretação para desenvolver um método para restringir a massa ou a idade de um planeta caso um vórtice seja observado num disco protoplanetário. Os seus resultados foram aceites para publicação em dois artigos separados da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
“É extremamente difícil estudar planetas mais pequenos que estão longe da sua estrela, observando-os diretamente: seria como tentar avistar um pirilampo em frente de um farol”, disse Rafikov. “Precisamos de outros métodos para aprender mais sobre estes planetas”.
Para desenvolver o seu método, os dois investigadores primeiro calcularam teoricamente o tempo que levaria um vórtice a ser produzido no disco por um planeta. Depois utilizaram estes cálculos para restringir as propriedades dos planetas em discos com vórtices, basicamente estabelecendo limites mais baixos sobre a massa ou a idade do planeta. Chamam a estas técnicas “pesagem de vórtices” e “datação de vórtices” dos planetas.
Quando um planeta em crescimento se torna suficientemente grande, começa a empurrar material do disco, criando a lacuna indicadora no disco. Quando isto acontece, o material no exterior da divisão torna-se mais denso do que o material no interior. À medida que a lacuna se torna mais profunda e as diferenças de densidade se tornam grandes, pode ser desencadeada uma instabilidade. Esta instabilidade perturba o disco e pode eventualmente produzir um vórtice.
“Com o tempo, múltiplos vórtices podem fundir-se, evoluindo para uma grande estrutura que se parece com os arcos que observámos com o ALMA”, disse Cimerman. Como os vórtices precisam de tempo para se formarem, os investigadores dizem que o seu método é como um relógio que pode ajudar a determinar a massa e a idade do planeta.
“Planetas mais massivos produzem vórtices mais cedo no seu desenvolvimento devido à sua gravidade mais forte, pelo que podemos usar os vórtices para colocar algumas restrições à massa do planeta, mesmo que não possamos ver o planeta diretamente”, disse Rafikov.
Utilizando vários pontos de dados como espectros, luminosidade e movimento, os astrónomos podem determinar a idade aproximada de uma estrela. Com esta informação, os investigadores de Cambridge calcularam a massa mais baixa possível de um planeta que poderia ter estado em órbita em torno da estrela desde que o disco protoplanetário se formou e foi capaz de produzir um vórtice que podia ser visto pelo ALMA. Isto ajudou-os a colocar um limite inferior na massa do planeta sem o observar diretamente.
Ao aplicar esta técnica a vários discos protoplanetários conhecidos com arcos proeminentes, sugestivos de vórtices, os investigadores descobriram que os supostos planetas que criam estes vórtices devem ter massas de pelo menos várias dezenas de massas terrestres, na gama dos super-Neptunos.
“No meu trabalho diário, concentro-me frequentemente nos aspetos técnicos da realização das simulações”, disse Cimerman. “É emocionante quando as coisas encaixam bem e podemos utilizar as nossas descobertas teóricas para aprender algo sobre sistemas reais”.
“As nossas restrições podem ser combinadas com os limites fornecidos por outros métodos para melhorar a nossa compreensão das características planetárias e dos percursos de formação planetária nestes sistemas”, disse Rafikov. “Ao estudar a formação dos planetas noutros sistemas planetários, podemos aprender mais sobre a forma como o nosso próprio Sistema Solar evoluiu“.
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