Resumo:
Observações de dezenas de estrelas jovens semelhantes ao Sol, efectuadas pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA, mostram que as forças que eliminam o gás dos discos de formação planetária mudam à medida que os sistemas estelares amadurecem.
O gás usado para criar planetas em torno de estrelas jovens continua a desaparecer. Novas observações do telescópio Webb mostram que esta perda de gás não ocorre da mesma forma em todas as fases da evolução inicial de um sistema planetário. Em vez disso, os ventos estelares responsáveis por transportar material para longe do sistema parecem mudar à medida que o sistema envelhece.
Este estudo, liderado por Naman Bajaj da Universidade do Arizona e com a participação de Uma Goldi, cientista do Instituto SETI, analisou os discos protoplanetários em torno de 72 jovens estrelas semelhantes ao Sol. Este é um dos maiores estudos do telescópio Webb sobre a formação de planetas até hoje. O estudo descobriu que em diferentes estágios da evolução do disco protoplanetário, diferentes mecanismos de remoção de gás dominarão. Resultados relevantes foram publicados no Astronomical Journal.
É emocionante, disse Goldi, que os investigadores são agora capazes de observar, utilizando grandes amostras de estrelas jovens, como os mecanismos que eliminam o gás dos discos de formação planetária mudam ao longo do tempo. A dissipação do disco protoplanetário define um relógio básico para a formação de planetas: uma vez eliminado o gás, a hipótese de formar um planeta gigante rico em gás está essencialmente esgotada.
O sistema solar atual tem cerca de 4,5 bilhões de anos e a maior parte dele está vazia. No entanto, nos primeiros milhões de anos após o nascimento do Sol, o jovem Sol estava rodeado por um denso disco protoplanetário, no qual a massa de gás era cerca de 100 vezes a da poeira. Eventualmente, a maior parte desse gás desaparece.
A velocidade do desaparecimento do gás é crucial porque o gás no disco protoplanetário é a matéria-prima para a formação de planetas gigantes como Júpiter e Saturno. Se o gás se dissipar prematuramente, os planetas poderão não ter tempo para construir atmosferas consideráveis.
Bajai e colegas usaram observações arquivadas do Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) do Telescópio Webb para reconstruir a evolução do disco protoplanetário. Estes 72 sistemas estelares estão em diferentes estágios de desenvolvimento de sistemas planetários jovens. Os investigadores combinaram-nos numa sequência evolutiva para acompanhar como os mecanismos que eliminam o gás dos discos protoplanetários mudam com a idade.
O estudo também testa previsões teóricas feitas antes que o telescópio Webb fosse capaz de observar diretamente o assunto em questão. Em 2020, a professora do Laboratório Lunar e Planetário, Ilariya Pascucci, foi a segunda autora do artigo e atuou como mentora de Bajaj. Certa vez, ela liderou a equipe para estudar a evolução dos jatos e ventos estelares. Naquela altura, os investigadores não podiam observar directamente o hidrogénio molecular porque o telescópio Webb ainda não tinha sido colocado em funcionamento, mas previram que poderia haver ventos moleculares massivos o suficiente em sistemas estelares jovens para bloquear fotões de raios-X. Desta vez, o telescópio Webb confirmou esta previsão rastreando diretamente o hidrogênio molecular.
Os investigadores concentraram-se nos sinais de dois gases que escapam do disco protoplanetário: o hidrogénio molecular e o néon ionizado. O hidrogênio molecular é a molécula mais abundante nos discos protoplanetários. A excelente sensibilidade e resolução espacial do telescópio Webb permitiram aos pesquisadores distinguir uma ampla gama de ventos moleculares de hidrogênio de jatos traçados por néon e ventos estelares.
Nos sistemas estelares mais jovens, o material ainda está caindo em direção à estrela central. O telescópio Webb descobriu que estes sistemas têm jatos fortes e fluxos amplos que contêm gases moleculares e atômicos. Suas características são consistentes com ventos estelares impulsionados por campos magnéticos que penetram no disco protoplanetário. O gás pode se mover para fora ao longo das linhas do campo magnético, retirando massa e momento angular no processo.
À medida que o sistema estelar amadurece, menos material cai em direção à estrela central, o jato começa a enfraquecer e a proporção de gás atômico no fluxo torna-se cada vez maior. Com menos material bloqueando a radiação de alta energia, a radiação de alta energia emitida pelas estrelas jovens é capaz de penetrar mais profundamente no disco protoplanetário e aquecer o gás o suficiente para escapar. Este processo é denominado fotoevaporação.
Goldy passou décadas estudando a evolução dos discos protoplanetários e seus processos de perda de gás, incluindo o papel da radiação ultravioleta e dos raios X na geração de ventos fotoevaporativos. O Telescópio Webb associou agora este estudo teórico a medições práticas através de observações de dezenas de sistemas estelares jovens. As observações mostram que à medida que os discos protoplanetários envelhecem, a importância da fotoevaporação aumenta, enquanto os jatos impulsionados pelo campo magnético e os ventos estelares enfraquecem gradualmente.
Observações mostram que a dissipação dos discos protoplanetários não é controlada por um único mecanismo. Os sistemas planetários jovens parecem passar por uma transição de serem dominados por poderosos jatos impulsionados por campos magnéticos e ventos estelares nos estágios iniciais para gradualmente serem dominados por fluxos de gás atômico, incluindo ventos fotoevaporativos.
Mudanças neste mecanismo dominante determinam por quanto tempo um planeta pode obter os gases necessários para se formar.
A formação de planetas é na verdade uma corrida contra o tempo, disse Bajaj. Um gigante gasoso como Júpiter deve desenvolver uma atmosfera massiva enquanto o seu disco protoplanetário ainda é suficientemente grande para fornecer um fornecimento contínuo de gás; caso contrário, os ventos estelares e os jatos transportariam essas matérias-primas para o espaço.
Dos 72 discos protoplanetários, 66 exibem uma ampla gama de emissões de hidrogênio molecular e néon ionizado. Os pesquisadores detectaram ventos cônicos de hidrogênio molecular em 46 sistemas e jatos de néon de alta velocidade em 40 sistemas. Todos os discos protoplanetários com jatos de neon também mostram evidências de ventos estelares traçados por hidrogênio molecular ou oxigênio.
Esta nova análise baseia-se nas observações anteriores da equipa com o telescópio Webb. Em 2024, Bajaj, Goldi e colegas capturaram uma imagem que mostra que o disco de formação planetária em torno da jovem estrela T Cha está a perder gás.
Pesquisas anteriores provaram que o telescópio Webb pode observar diretamente o processo de dissipação de discos protoplanetários num único sistema planetário. O estudo estende esta abordagem a dezenas de estrelas jovens, revelando como a importância relativa dos jatos, dos ventos moleculares e dos ventos atómicos muda à medida que os sistemas estelares amadurecem.
Os investigadores esperam agora determinar quanto gás estes ventos estelares transportam em momentos diferentes e que regiões do disco protoplanetário fornecem uma fonte de material para o gás que sai. Espera-se que estas medições não só revelem a rapidez com que a janela de formação planetária se fecha, mas também possam ajudar os cientistas a determinar exatamente onde no disco protoplanetário diferentes tipos de planetas poderiam ter-se formado antes do desaparecimento do gás disponível.
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