Esta impressão de artista mostra o aspecto dos discos de formação planetária em torno de jovens estrelas. São inicialmente constituídos por poeira e gás configurados em anéis de material denso. Com o tempo, os componentes sólidos crescem para seixos que eventualmente podem evoluir para planetas. Uma vez que as observações ALMA utilizadas neste estudo são apenas sensíveis a grãos de poeira de tamanho milimétrico, os discos evoluídos com objetos maiores ou mesmo planetas produzem um sinal relativamente fraco a partir do material remanescente. Os novos resultados indicam que, sem irradiação externa, tais discos evoluem de forma semelhante. Após cerca de um milhão de anos, a maioria deles não tem massa suficiente para produzir grandes planetas como Júpiter. No entanto, tais planetas podem já lá ter sido formados.
Crédito: Departamento gráfico do Instituto Max Planck para Astronomia

Um grupo de astrónomos, liderado por Sierk van Terwisga do Instituto Max Planck para Astronomia, analisou a distribuição da massa em mais de 870 discos de formação planetária na nuvem molecular gigante Orionte A. Ao explorar as propriedades estatísticas desta grande amostra de discos sem precedentes e de desenvolver um esquema inovador de processamento de dados, descobriram que, longe de ambientes agressivos como estrelas quentes, o declínio da massa do disco depende apenas da sua idade. Os resultados indicam que, pelo menos até 1000 anos-luz da Terra, os discos de formação planetária e os sistemas planetários evoluem de forma semelhante.

Algumas das questões mais interessantes da investigação astronómica atual são: qual é o aspeto dos outros sistemas planetários? Quão comparável é o Sistema Solar a outros sistemas planetários? Uma equipa de astrónomos contribuiu agora com pistas cruciais para a resolução deste puzzle. "Até agora, não sabíamos ao certo quais as propriedades que dominam a evolução dos discos de formação planetária em torno de jovens estrelas," diz Sierk van Terwisga, que é cientista do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha. Ele é o autor principal do artigo de investigação subjacente publicado na revista Astronomy & Astrophysics. "Os nossos novos resultados indicam agora que em ambientes sem qualquer influência externa relevante, a massa observada do disco, disponível para formar novos planetas, depende apenas da idade do sistema estrela-disco", acrescenta van Terwisga.

A massa do disco é a propriedade chave quando se estuda a evolução dos discos de formação planetária. Esta quantidade determina a quantidade de material disponível para ser transformado em planetas. Dependendo da idade do disco, pode também fornecer pistas sobre os planetas já ali presentes. Efeitos externos como a irradiação e os eventos de estrelas massivas vizinhas obviamente têm impacto na sobrevivência do disco. Contudo, tais ambientes são raros e esses processos não revelam muito sobre os próprios discos. Ao invés, os astrónomos estão mais interessados nas propriedades internas dos discos, tais como a idade, a composição química, ou a dinâmica da nuvem parental da qual emergiram as jovens estrelas com os seus discos.

Para determinar as várias contribuições, a equipa de astrónomos selecionou uma grande e conhecida região de jovens estrelas com discos, a nuvem Orionte A. Está a aproximadamente 1350 anos-luz da Terra. "Orionte A forneceu-nos uma amostra grande e sem precedentes de mais de 870 discos em torno de estrelas jovens. Foi crucial poder procurar pequenas variações na massa do disco, dependendo da idade e mesmo dos ambientes locais dentro da nuvem," explica Álvaro Hacar, coautor e cientista da Universidade de Viena, Áustria. A amostra resulta de observações anteriores com o Telescópio Espacial Herschel, o que permitiu identificar os discos. A combinação de vários comprimentos de onda forneceu um critério para estimar a idade. Uma vez que todos eles pertencem à mesma nuvem, os astrónomos esperavam pouca influência da química e de variações da história da nuvem. Também evitaram qualquer impacto de estrelas massivas no vizinho Enxame da Nebulosa de Orionte, rejeitando os discos a uma distância inferior a 13 anos-luz.

Para medir a massa dos discos, a equipa utilizou o ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), localizado no planalto de Chajnantor, no deserto chileno do Atacama. O ALMA consiste de 66 antenas parabólicas, funcionando como um único telescópio com uma resolução angular variável. Os cientistas aplicaram um modo de observação que lhes permitiu visar eficazmente cada disco a um comprimento de onda de cerca de 1,2 milímetros. Os discos frios são brilhantes nesta gama espectral. Por outro lado, a contribuição das estrelas centrais é negligenciável. Com esta abordagem, os astrónomos determinaram as massas dos discos de poeira. No entanto, as observações são insensíveis a objetos muito maiores do que alguns milímetros, por exemplo, rochas e planetas. Portanto, a equipa mediu efetivamente a massa do material, no disco, capaz de formar planetas.

Antes de calcular a massa dos discos, os astrónomos combinaram e calibraram os dados de várias dúzias de telescópios ALMA. Esta tarefa torna-se um grande desafio quando lidamos com grandes conjuntos de dados. Utilizando métodos padrão, teria levado meses para processar os dados recolhidos. Em vez disso, a equipa desenvolveu um novo método utilizando computadores paralelos. "A nossa nova abordagem melhorou a velocidade de processamento por um factor de 900," salienta o coautor Raymond Oonk do fornecedor de serviços de TI, SURF. As 3000 horas de CPU necessárias para concluir a tarefa e preparar os dados para análise subsequente decorreram em menos de um dia.

Ao todo, Orionte A contém discos de formação planetária, cada um com poeira que pode chegar a algumas centenas de massas terrestres. No entanto, dos 870 discos, apenas 20 contêm poeira equivalente a 100 ou mais Terras. No geral, o número de discos cai rapidamente com a massa, com uma maioria contendo menos de 2,2 massas terrestres de poeira. "A fim de procurar variações, dissecámos a nuvem de Orionte A e analisámos estas regiões separadamente. Graças às centenas de discos, as subamostras ainda eram suficientemente grandes para produzir resultados estatisticamente significativos," explica van Terwisga.

De facto, os cientistas encontraram pequenas variações na distribuição da massa dos discos em escalas de dezenas de anos-luz dentro de Orionte A. No entanto, todas elas podem ser explicadas como um efeito da idade, ou seja, no espaço de alguns milhões de anos, as massas dos discos tendem a diminuir para populações mais velhas. Dentro das margens de erro, grupos de discos de formação planetária da mesma idade exibem a mesma distribuição de massa. Não é de todo surpreendente descobrir que a massa de poeira nos discos de formação planetária diminui com o tempo. Afinal de contas, a poeira é uma das matérias-primas dos planetas. Assim, a formação planetária reduz certamente a quantidade de poeira livre. Outros processos bem conhecidos são a migração da poeira para o centro do disco e a evaporação da poeira por irradiação da estrela hospedeira. Ainda assim, é surpreendente ver uma correlação tão forte entre a massa do disco e a idade.

Todos estes discos surgiram do mesmo ambiente que agora constitui a nuvem de Orionte A. Como é que isto se compara com outras populações de discos em torno de jovens estrelas? Os astrónomos abordaram esta questão comparando os seus resultados com várias regiões de formação estelar vizinhas que têm discos de formação planetária. À exceção de duas, todas elas encaixam na relação de massa encontrada em Orionte A. "No geral, pensamos que o nosso estudo prova que, pelo menos até 1000 anos-luz, todas as populações de discos de formação planetária mostram a mesma distribuição de massa numa determinada idade. E parecem estar a evoluir mais ou menos da mesma forma," conclui van Terwisga. O resultado pode mesmo sugerir a formação de sistemas planetários espantosamente semelhantes.

Como passo seguinte, os cientistas vão analisar os possíveis impactos das estrelas próximas em escalas menores de alguns anos-luz. Embora tenham evitado o forte campo de radiação provocado pelas estrelas massivas no Enxame da Nebulosa de Orionte, existem campos estelares potencialmente mais ténues que podem afetar a poeira nos discos vizinhos e alterar as estatísticas da massa dos discos. Tais contribuições podem explicar alguns dos desvios encontrados na relação entre a massa do disco e a idade. Os resultados podem ajudar a reforçar o quadro geral da evolução de um disco de formação planetária dominado pela idade.

Esta imagem mostra a gigantesca nuvem de formação estelar Orionte A, observada pelo instrumento SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) a bordo do Telescópio Espacial Herschel. Traça a distribuição em grande escala da poeira fria. Orionte A fica a cerca de 1350 anos-luz de distância e consiste em regiões individuais de formação estelar, conforme indicado pelas suas legendas. As localizações dos discos de formação planetária (+) observados com o ALMA são indicadas, enquanto os discos com massas de poeira acima de um equivalente a 100 massas terrestres aparecem como pontos azuis. A famosa Nebulosa de Orionte, visível a olho nu no céu, acolhe o Enxame da Nebulosa de Orionte, incluindo várias estrelas massivas que emitem radiação intensa.
Crédito: Sierk van Terwisga et al./Instituto Max Planck para Astronomia

// Instituto Max Planck para Astronomia (comunicado de imprensa)
// Universidade de Viena (comunicado de imprensa)
// SURF (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais

Nuvem de Orionte A:
Wikipedia
Nuvem molecular de Orionte (Wikipedia)

Discos protoplanetários:
Wikipedia

ALMA:
Página principal
ALMA (NRAO)
ALMA (NAOJ)
ALMA (ESO)
Wikipedia

Observatório Espacial Herschel:
ESA (ciência e tecnologia)
ESA (centro científico)
ESA (página de operações)
NASA
Caltech
Wikipedia