Os cientistas acreditam que um dos eventos mais importantes no início do Sistema Solar foi uma colisão massiva entre a jovem Terra e um corpo do tamanho de Marte chamado Theia. O impacto provavelmente vaporizou enormes quantidades de rocha e lançou material no espaço. Alguns desses detritos acabaram por se juntar para formar a Lua, onde o programa Artemis da NASA está a trazer os humanos de volta, a preparar-se para Marte e a moldar o futuro da exploração espacial.
Esse impacto antigo mudou a Terra dramaticamente. Agora, os astrônomos estão usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA para investigar sistemas estelares jovens que estão passando por eventos violentos semelhantes. Ao estudar estes sistemas, os investigadores podem estimar quão energéticas foram as colisões e aprender mais sobre como os planetas rochosos se formam e evoluem.
As descobertas da equipe foram publicadas em 1º de outubro O Jornal Astrofísico.
Disco de detritos extremos raros do Web Target
O material que envolve uma estrela muda significativamente com o tempo. As estrelas jovens começam com um disco protoplanetário adolescente rico em gás, onde os planetas em formação podem residir. À medida que o sistema amadurece, essa atmosfera evolui para um disco de detritos sem gás.
Durante seus anos de operação, o Telescópio Espacial Spitzer aposentado da NASA estudou esses discos de detritos e identificou uma categoria incomum conhecida como discos de detritos extremos. Estes sistemas contêm quantidades excepcionalmente grandes de poeira quente perto das suas estrelas, aproximadamente na mesma região onde orbitam os planetas rochosos do nosso Sistema Solar.
Kate Su, do Instituto de Ciências Espaciais em Boulder, Colorado, liderou uma equipe de astrônomos que usou a Web para examinar esses sistemas incomuns com mais detalhes.
Modelos teóricos sugerem que discos ricos em detritos deveriam ser relativamente comuns, mas as observações contam uma história diferente. Com base nos dados recolhidos até agora, os cientistas estimam que apenas 1% das estrelas jovens apresentam sinais observáveis deste estágio. O nosso próprio sistema solar também pode ter passado por uma fase semelhante durante a sua formação.
Embora estes sistemas sejam incomuns, os pesquisadores reuniram uma amostra de 21 discos de detritos extremos. Cinco vieram de observações de arquivo do Spitzer e 16 foram estudados com Webb. Da amostra de Webb, 12 discos foram observados recentemente, enquanto quatro eram observações de acompanhamento de sistemas previamente investigados pelo Spitzer.
“Esta é a primeira vez que reunimos sistemas suficientes para compreender verdadeiramente esta subclasse do que chamamos de discos de detritos extremos”, disse Su, principal autor do artigo. “Antes da Web, tínhamos informações limitadas. Sabíamos que eram estranhos e muito diferentes dos discos normais de detritos frios que conhecemos, como Vega e Fomalhaut. Agora que temos mais dados, podemos descobrir o que estes discos representam para a formação e evolução dos planetas.”
A poeira revela a natureza das colisões planetárias
Os pesquisadores confirmaram que o disco altamente carregado de detritos tem três características definidoras. As suas partículas de poeira são mais pequenas do que as encontradas em discos de detritos protoplanetários ou mais típicos, contêm concentrações invulgarmente elevadas de poeira quente e o seu brilho varia irregularmente ao longo do tempo. Webb e Spitzer revelaram essas características através de espectros de infravermelho médio.
Para entender o que pode estar causando esses sintomas incomuns, os pesquisadores examinaram os minerais presentes nos discos. A análise deles mostrou que os sistemas poderiam ser divididos em dois grandes grupos: discos ricos em sílica e discos pobres em sílica.
Na Terra, o vidro vulcânico, como a obsidiana, é um exemplo de material rico em sílica. Enquanto isso, o mineral forsterita, pobre em sílica, pode ser visto como grãos de areia verde em algumas praias do Havaí.
O fato de um disco conter mais ou menos sílica pode fornecer informações importantes sobre a colisão que criou seus detritos. Esta diferença também pode ajudar a explicar por que alguns discos flutuam mais dramaticamente no brilho infravermelho.
“Ver a web com as suas emissões no infravermelho médio e belas características espectrais, que nos permitiram identificar as suas criações, foi a coisa mais emocionante para mim”, disse Agnes Kospal do Observatório Konköy em Budapeste, Hungria, e co-autora do estudo. “Não temos outra forma de estudar directamente estes embriões planetários porque são muito pequenos.”
Mundos do tamanho de Marte poderiam ser destruídos simultaneamente
Cerca de um terço dos discos da amostra consistem em sílica. Os investigadores dizem que estes sistemas provavelmente se formaram após colisões altamente energéticas entre corpos do tamanho de Marte. Tais impactos seriam suficientemente poderosos para vaporizar quantidades substanciais de material rochoso.
Os outros dois terços são pobres em sílica. Estes sistemas parecem ser o resultado de colisões de baixa energia, incluindo efeitos de rasante, entre objetos do tamanho da Lua.
Os pesquisadores também encontraram uma diferença significativa de idade entre os dois grupos. Discos ricos em sílica só foram identificados em torno de estrelas com menos de 300 milhões de anos. Discos pobres em sílica, no entanto, ocorrem em torno de estrelas que abrangem uma ampla gama de idades e apresentam fortes variações no brilho.
A equipe sugere que esta variabilidade pode advir do rápido crescimento de detritos recém-formados. Mudanças na órbita do material, juntamente com colisões adicionais, podem fazer com que o brilho infravermelho aumente e diminua ao longo do tempo.
As descobertas também podem ajudar os cientistas a reconstruir a história do nosso próprio Sistema Solar, que pode ter passado por mais de uma fase extrema de disco de detritos.
“A forma como os planetas rochosos se formaram e como os planetas gigantes evoluíram fazem parte da história mais ampla da formação do sistema solar. É tudo uma só história,” disse Su. “Nosso trabalho em discos altamente carregados de detritos nos ajuda a reunir o panorama geral do que entendemos atualmente.”
Pistas sobre a colisão que criou a Lua
Simulações computacionais sugerem que os planetas terrestres, incluindo a Terra, deveriam surgir nas primeiras centenas de milhões de anos após a formação do Sistema Solar.
Essa linha do tempo corresponde à idade dos discos de detritos extremos ricos em sílica observados até agora. Também é consistente com as estimativas de que a Terra e a Lua se formaram cerca de 100 milhões de anos depois do Sol, sendo a Lua possivelmente o resultado de uma colisão entre a Terra e um objeto do tamanho de Marte.
Os cientistas também estão interessados em saber se o Sol alguma vez passou por um estágio de disco de detritos extremamente pobre em sílica.
Se os antigos discos pobres em sílica e os seus períodos aleatórios de brilho infravermelho variável forem causados pela instabilidade orbital, o padrão seria amplamente consistente com a hipótese do Bombardeamento Pesado Tardio para o nosso Sistema Solar.
Nesse cenário, os planetas gigantes teriam mudado significativamente das suas posições originais. O seu movimento perturbou as órbitas de objetos mais pequenos, desencadeando colisões destrutivas e gerando breves períodos cheios de grandes quantidades de poeira, semelhante ao que os astrónomos vêem agora em discos de detritos extremos.
“É claro que há muitas coisas sobre estes discos que ainda não sabemos”, disse Attila Moore do Observatório Konkoli, co-autor do estudo. “Esperamos que não existam sistemas ricos em sílica entre os discos de detritos extremos mais antigos. Existem apenas três discos na nossa amostra que se enquadram nesses critérios de idade, por isso seria bom observar mais destes sistemas para confirmar a nossa hipótese.”
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, explorando mundos distantes em torno de outras estrelas e investigando as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um programa internacional administrado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
