Os planetas formam-se dentro de discos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens, mas o fornecimento de gás do qual dependem é temporário. Novas observações do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA estão a dar aos astrónomos uma imagem mais clara de como o gás escapa e como os principais mecanismos de ejeção mudam à medida que os sistemas planetários amadurecem.
O estudo, liderado por Naman Bajaj da Universidade do Arizona e coautor da cientista do Instituto SETI Uma Gorti, examinou 72 estrelas jovens semelhantes ao Sol e os seus discos protoplanetários. Este é um dos maiores estudos de formação planetária conduzido com o JWST e sugere que diferentes tipos de ventos dominam em diferentes estágios da evolução inicial de um sistema.
As descobertas foram publicadas jornal astronômico.
Existe um limite de tempo para a formação do planeta
“O que é interessante neste estudo é que podemos agora ver numa grande amostra de sistemas jovens como os mecanismos que expelem o gás dos discos de formação planetária mudam ao longo do tempo. A expansão do disco estabelece um relógio fundamental para a formação planetária: quando o gás acabar, a oportunidade de formar planetas ricos em gás está essencialmente esgotada,” disse Gorty.
Nosso sistema solar tem agora cerca de 4,5 bilhões de anos e consiste principalmente de espaço vazio. No entanto, durante os seus primeiros milhões de anos, o jovem Sol esteve rodeado por um denso disco protoplanetário contendo cerca de 100 vezes mais gás do que poeira. Eventualmente, quase todo esse gás desapareceu.
É importante compreender quando e como este material é perdido porque o gás é essencial para a formação de planetas gigantes como Júpiter e Saturno. Se um disco perder o seu gás demasiado rapidamente, os planetas em desenvolvimento poderão não ter tempo suficiente para acumular as atmosferas massivas necessárias para se tornarem gigantes gasosos.
JWST rastreia vazamento de gás
Bajaj e colegas investigaram este processo usando observações de arquivo do Mid-Infrared Instrument (MIRI) do JWST. Os 72 sistemas abrangem planetas em vários estágios de desenvolvimento. No geral, eles fornecem algo como uma sequência de instantâneos, permitindo aos pesquisadores reconstruir como a dispersão do gás muda à medida que o sistema envelhece.
Em 2020, a professora da LPL Ilaria Pascucci, segunda autora do artigo e conselheira de Bajaj, liderou um estudo relacionado investigando como os jatos e os ventos se desenvolvem. Antes do JWST, os pesquisadores não podiam observar diretamente o hidrogênio molecular, mas a equipe previu que os ventos moleculares deveriam estar presentes e poderiam ser densos o suficiente durante os estágios iniciais para bloquear os fótons de raios X. Ao detectar diretamente o hidrogénio molecular nas novas observações, a equipa de Bajaj confirmou essas previsões com as imagens do JWST.
Os investigadores concentraram-se em dois indicadores de material que escapa: o hidrogénio molecular, a molécula mais abundante nos discos protoplanetários, e o néon ionizado. A sensibilidade e resolução do JWST permitiram distinguir ventos amplos contendo hidrogênio molecular daqueles traçados por jatos e néon.
Nos sistemas mais jovens, onde o material ainda cai na estrela central, os investigadores detectaram jatos poderosos com ventos extensos contendo gás molecular e nuclear. Essas saídas correspondem aos ventos gerados pelo campo magnético que se propaga através do disco. O gás pode seguir essas linhas do campo magnético para fora, removendo o material e o momento angular do disco.
A radiação estelar domina
À medida que os sistemas planetários amadurecem e o fluxo de material para a estrela diminui, os jatos enfraquecem e o gás ejetado torna-se cada vez mais atomizado. Nesta fase, a radiação de alta energia da estrela jovem pode penetrar no material fino e aquecer o gás no disco até ser ejetado. Este mecanismo é conhecido como fotoevaporação.
Gorty passou décadas investigando a evolução e expansão dos discos protoplanetários, incluindo o papel da radiação ultravioleta e de raios X de estrelas jovens na condução de ventos fotoevaporativos. As últimas observações do JWST fornecem uma conexão observacional com esse trabalho teórico em dezenas de sistemas. Eles indicam que à medida que o disco envelhece e os jatos e ventos impulsionados magneticamente desaparecem, a fotoevaporação se torna mais importante.
As descobertas mostram que nenhum mecanismo único é responsável pela limpeza do disco de formação planetária. Em vez disso, parece que os sistemas jovens começam com poderosos jactos e ventos impulsionados magneticamente e progridem para uma fase posterior, na qual os ventos nucleares gerados através da fotoevaporação também se tornam cada vez mais importantes.
Essa mudança tem grandes consequências para os planetas em desenvolvimento.
“Portanto, construir o planeta é uma corrida contra o tempo”, disse Bajaj. “Gigantes gasosos como Júpiter devem colher as suas vastas atmosferas enquanto o disco ainda é grande o suficiente para abastecê-los, antes que os ventos e os jatos carreguem essa matéria-prima para o espaço.”
Os pesquisadores detectaram emissão estendida de hidrogênio molecular e néon ionizado em 66 dos 72 discos. 46 sistemas mostraram ventos cônicos de hidrogênio molecular, enquanto 40 apresentaram jatos de néon em movimento rápido. Evidências de ar, rastreadas por hidrogênio molecular ou oxigênio, também foram encontradas em cada sistema com jatos de néon.
Uma visão abrangente de como os sistemas planetários evoluem
Este estudo expande observações anteriores do mesmo grupo de pesquisa. Em 2024, Bajaj, Gorti e seus colegas usaram o JWST para obter imagens do gás sendo levado pelo planeta que forma o disco em torno da jovem estrela Ti Cha.
Esse trabalho anterior mostrou que o JWST poderia sondar diretamente a dispersão do disco em um sistema planetário individual. O novo estudo estende a abordagem a dezenas de estrelas jovens, revelando como o equilíbrio entre jatos, ventos moleculares e ventos nucleares muda à medida que os sistemas planetários envelhecem.
Os pesquisadores agora querem determinar quanto gás esses ventos expelem ao longo do tempo e identificar a origem do material ejetado de dentro do disco. Estas medições poderão revelar não só a rapidez com que a janela de formação planetária se fecha, mas também quais regiões do disco são capazes de formar diferentes tipos de planetas antes que o seu fornecimento de gás desapareça.
