Utilizando o instrumento SPHERE montado no Very Large Telescope do ESO, os astrónomos produziram um conjunto notável de imagens que mostram discos de detritos numa vasta gama de sistemas exoplanetários. Estas estruturas empoeiradas revelam onde pequenos corpos orbitam as suas estrelas e fornecem informações raras sobre as fases iniciais do desenvolvimento planetário. Gale Chauvin (Instituto Max Planck de Astronomia), cientista do projeto SPHERE e coautor do estudo, explicou: “Este conjunto de dados é um tesouro astronómico. Fornece uma visão excecional sobre as propriedades do disco de detritos e permite que estes asteroides e cometas sejam diretamente observados por objetos tão pequenos como as anãs.”
Em nosso próprio sistema solar, quando você olha além do Sol, dos planetas e dos planetas anões como Plutão, uma enorme variedade de corpos pequenos (“menores”) aparece à vista. Os cientistas prestam atenção especial a objetos de cerca de um quilômetro a centenas de quilômetros de tamanho. Aqueles que ocasionalmente liberam gás e poeira para produzir características visíveis, como caudas, são chamados de cometas, enquanto aqueles que não mostram tal atividade são chamados de asteróides.
Esses pequenos corpos preservam pistas dos primeiros dias do sistema solar. Durante o longo processo em que pequenos grãos se transformam em planetas, formam-se objetos intermediários conhecidos como planetesimais. Asteróides e cometas são remanescentes dessa fase de transição, corpos planetários que nunca se desenvolveram em planetas de tamanho real. Nesse sentido, são vestígios (um tanto) modificados dos mesmos elementos que outrora constituíram a Terra.
Procurando por pequenos corpos em sistemas exoplanetários
Os astrónomos identificaram mais de 6.000 exoplanetas (ou seja, planetas que orbitam outras estrelas que não o Sol), dando uma imagem mais clara de como os sistemas planetários variam na nossa galáxia. Retratar esses mundos diretamente ainda é extremamente difícil. Menos de 100 exoplanetas foram fotografados até agora, e mesmo os maiores são vistos apenas como pontos de luz sem características características.
Este desafio torna-se ainda maior quando se procuram carrocerias menores. Astrônomo da Universidade Grenoble Alpes e coautor do estudo. Como aponta Julien Milley: “Parece quase impossível encontrar quaisquer pistas diretas sobre pequenos corpos em sistemas planetários distantes a partir de imagens. Os outros métodos indiretos usados para detectar exoplanetas também não ajudam em nada.”
A poeira fornece a chave para identificar as criaturas de planetas ocultos
Os avanços não vêm de corpos pequenos, mas da poeira criada durante as colisões. Os sistemas planetários jovens são particularmente ativos. As criaturas planetárias frequentemente esbarram umas nas outras, às vezes fundindo-se em corpos maiores e às vezes dividindo-se em corpos menores. Esses eventos liberam grandes quantidades de poeira fresca.
A física por trás da visibilidade da poeira é surpreendentemente intuitiva. Quebrar um objeto em vários pedaços menores preserva seu volume total, mas aumenta drasticamente sua área de superfície. Por exemplo, se um asteróide com um quilómetro de largura fosse reduzido a grãos de poeira com apenas um micrómetro de diâmetro (um milionésimo de metro), a área total da superfície aumentaria por um factor de mil milhões. Mais área de superfície significa mais luz refletida da estrela, tornando a poeira mais fácil de detectar. Ao observar essa poeira, os astrônomos podem inferir detalhes sobre os minúsculos corpos invisíveis que a compõem.
Como o disco de detritos evolui ao longo do tempo
Os discos de detritos não permanecem brilhantes para sempre. À medida que um sistema jovem amadurece, as colisões tornam-se raras. A poeira pode ser empurrada para fora pela pressão da radiação da estrela central, varrida por planetas ou planetesimais, ou espiralada para dentro da estrela.
Nosso sistema solar fornece um exemplo final. Bilhões de anos depois, dois grandes cinturões planetários permanecem: o cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter, e o cinturão de Kuiper, além dos planetas gigantes. Uma população de partículas de poeira menores também persiste, formando as plumas de poeira zodiacais. Sob céus particularmente escuros, a luz solar espalhada por estas partículas de poeira pode ser vista logo após o pôr do sol ou antes do nascer do sol como um brilho fraco chamado luz zodiacal.
Para os observadores que estudam o nosso sistema solar à distância, estes ténues vestígios seriam difíceis de detectar. Mas novas pesquisas mostram que estruturas empoeiradas semelhantes em torno de sistemas menores deveriam ser visíveis durante os primeiros 50 milhões de anos de vida de um disco de detritos. Capturar essas imagens é extremamente desafiador. A tarefa foi comparada a fotografar uma fina nuvem de fumaça de cigarro próximo aos holofotes de um estádio cego, a vários quilômetros de distância. O SPEAR, que começou a trabalhar num dos Very Large Telescopes (VLT) do ESO na primavera de 2014, foi especialmente concebido para tais situações.
Como a torre evita que a luz das estrelas revele características tênues
A ideia básica por trás do SPHERE é familiar na experiência cotidiana. Se o sol estiver brilhando diretamente em seus olhos, você pode levantar a mão para ver o que está ao seu redor. SPHERE usa um coronógrafo para obter o mesmo efeito ao criar imagens de exoplanetas ou discos de detritos. Ao inserir um pequeno disco no caminho da luz das estrelas, o instrumento bloqueia a maior parte da luz antes de capturar a imagem. Este método só funciona quando o sistema óptico é muito estável e preciso.
Para manter esta estabilidade, o SPHERE conta com uma versão altamente avançada de óptica adaptativa. A turbulência na atmosfera da Terra distorce a luz estelar que chega, e o SPHERE monitoriza continuamente essas distorções e corrige-as em tempo real usando um espelho deformante. Um componente opcional pode isolar a “luz polarizada”, que é a característica da luz refletida pela poeira em vez de emitida diretamente por uma estrela. Esta filtragem adicional aumenta a capacidade do SPHERE de detectar discos de detritos obscuros.
Uma grande pesquisa revela 51 discos de detritos em detalhes nítidos
O novo estudo apresenta um conjunto único de imagens de discos de detritos obtidas através da análise da luz estelar espalhada por minúsculas partículas de poeira. “Para obter esta recolha, processámos dados de observações de 161 estrelas jovens próximas, cuja emissão infravermelha indica fortemente a presença de um disco de detritos,” disse Natalia Engler (ETH Zurique), principal autora do estudo. “As imagens resultantes mostram 51 discos de detritos com características diferentes – alguns pequenos, outros grandes, alguns vistos de lado e alguns quase de frente – e uma variação considerável na estrutura do disco. Quatro discos nunca tinham sido fotografados antes.”
Trabalhar com uma amostra tão grande permite encontrar padrões amplos. A análise mostrou que estrelas jovens mais massivas tendem a hospedar discos de detritos mais massivos. Sistemas onde a poeira se condensa longe da estrela tendem a ter discos mais massivos.
Alusões a anéis, cintos e planetas invisíveis
Um dos aspectos mais fascinantes dos resultados do SPHERE é a extensa estrutura dentro do disco. Vários padrões em forma de anel ou faixa aparecem com elementos agrupados a certas distâncias da estrela. Este arranjo é semelhante ao nosso próprio sistema solar, onde corpos menores estão agrupados no cinturão de asteróides (asteróides) e no cinturão de Kuiper (cometas).
Acredita-se que essas estruturas sejam moldadas por planetas, especialmente os grandes que abrem caminhos à medida que orbitam. Alguns dos planetas responsáveis já foram identificados. Noutros casos, arestas vivas ou anomalias no disco indicam fortemente a presença de planetas que ainda não foram observados diretamente. Por esta razão, o inquérito SPHERE proporciona um alvo valioso para benefícios futuros. Os instrumentos montados no Telescópio Espacial James Webb (JWST) e no Extremely Large Telescope (ELT) que estão a ser construídos pelo ESO deverão ser capazes de obter imagens diretas de pelo menos alguns dos planetas que estão a esculpir estes anéis e lacunas empoeiradas.
Detalhes dos autores do estudo e publicações
Os resultados aqui descritos foram publicados na revista Natalia Engler et al., “Characterization of Debris Disks Observed with Sphere” Astronomia e Astrofísica.
MPIA Resume Archery, MPPIA, Thomas Henning, Samantha Braun, Matthias Samland e Mark Felt, em colaboração (ETH Zuror), Julien Milli (CNRS, IPAG, University Alpes), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Venna), Ans-Of-Anson (ETH Zuror). Maire (CNRS, IPAG, Universidade Grenble Alps) e heróis.
