ALMA revela estruturas ocultas de formação planetária nos discos mais pequenos

Graças à visão excecionalmente nítida do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrónomos descobriram anéis, lacunas e cavidades em discos extremamente compactos em torno de estrelas jovens. As observações revelam que as estruturas de formação planetária estendem-se por regiões comparáveis em tamanho ao Sistema Solar interior, sugerindo que muitos discos pequenos podiam parecer uniformes simplesmente porque os seus detalhes eram demasiado pequenos para serem distinguidos.

Algumas das imagens mais impressionantes do ALMA mostram estrelas jovens rodeadas por amplos discos de gás e poeira, divididos em complexos anéis e lacunas. Estas estruturas podem reter material sólido e podem indicar locais onde os planetas estão a começar a formar-se.

No entanto, os astrónomos têm observado essas estruturas espetaculares principalmente em discos grandes e brilhantes. Os discos muito mais pequenos têm-se apresentado frequentemente uniformes e relativamente sem características distintivas, levantando a questão de saber se evoluem de forma diferente – ou se as suas estruturas têm sido simplesmente demasiado pequenas para serem visíveis.

Uma equipa liderada por Pietro Curone, do CATA (Center for Astrophysics and Associated Technologies) e da Universidade do Chile, juntamente com Gijs Mulders, da Pontificia Universidad Católica de Chile, Nienke van der Marel, do Observatório de Leiden, e Laura Pérez, da Universidade do Chile, analisou agora a questão com muito mais pormenor.

Utilizando o ALMA na sua configuração de antenas mais ampla, os astrónomos observaram 11 discos protoplanetários extremamente compactos na região de formação estelar de Lobo. As observações, realizadas na Banda 7 do ALMA a um comprimento de onda de cerca de 0,9 milímetros, atingiram uma resolução angular de aproximadamente 0,02 segundos de arco. À distância da nuvem de Lobo, isso corresponde a escalas de cerca de duas unidades astronómicas, ou o dobro da distância média entre a Terra e o Sol. Esta é a maior resolução angular atualmente disponível com o ALMA neste comprimento de onda.

Com essa resolução, vários discos que pareciam simples começaram a revelar detalhes ocultos. A equipa detetou subestruturas nítidas num raio de 10 unidades astronómicas da estrela central em quatro dos 11 discos e encontrou indícios de características semelhantes em outros três. Num dos sistemas, Sz 112, o ALMA resolveu uma cavidade central que se estendia até apenas 1,6 unidades astronómicas da estrela.

“Durante muito tempo, os discos mais pequenos pareceram muito mais simples do que os discos grandes e espetaculares que o ALMA tornou famosos. O que descobrimos é que, pelo menos em parte, essa diferença era uma ilusão causada pela resolução”, explica Curone. “Quando ampliamos a imagem o suficiente, começam a aparecer anéis, lacunas e cavidades, mesmo nestes sistemas minúsculos”.

O resultado sugere que os discos compactos podem não representar um tipo de ambiente de formação planetária fundamentalmente diferente. Em vez disso, muitos podem conter os mesmos tipos de estruturas encontradas em discos maiores, mas comprimidas em regiões com apenas algumas unidades astronómicas de diâmetro.

Isso é particularmente importante porque as regiões analisadas neste estudo estão muito mais próximas das escalas orbitais de muitos sistemas planetários conhecidos. Estudos anteriores de alta resolução realizados com o ALMA resolveram, em grande parte, estruturas a distâncias que variam entre algumas e dezenas de unidades astronómicas das suas estrelas. No entanto, muitos exoplanetas são encontrados bem mais perto. Os discos compactos oferecem, portanto, uma maneira de investigar a formação planetária em regiões que se sobrepõem mais de perto aos locais onde muitos planetas acabam por residir.

“A questão central para nós era se os discos pequenos careciam realmente de estrutura, ou se as suas características estavam simplesmente para além do nosso limite de resolução”, explica o coautor Mulders. “Para responder a isso, comparámos as novas observações de discos compactos com estudos anteriores do ALMA sobre discos de formação planetária”.

A comparação revelou uma forte dependência do grau de resolução com que um disco tinha sido observado. Entre os discos observados com resolução suficiente para revelar a estrutura de forma fiável, foram detetadas subestruturas em cerca de 44% dos discos extremamente compactos com raios entre 3 e 10 unidades astronómicas e em cerca de 55% dos discos entre 10 e 30 unidades astronómicas. Para discos com mais de 30 unidades astronómicas, a taxa de deteção sobe para mais de 90%.

O resultado sugere que a escassez de anéis e lacunas em discos pequenos, anteriormente relatada, se devia, pelo menos em parte, a uma resolução angular insuficiente e não à sua ausência real.

“Este é um bom exemplo de como a imagem muda quando aumentamos a resolução. Um disco que parece uniforme quando observado de longe pode revelar uma estrutura interna rica assim que conseguimos distinguir características separadas por apenas algumas unidades astronómicas”, afirma Pérez, coautora do estudo.

Estas estruturas são importantes porque a poeira num disco protoplanetário não permanece simplesmente onde nasceu. As partículas sólidas tendem a perder momento angular e a vaguear para o interior, em direção à estrela. Sem algum mecanismo para abrandar essa migração, os grãos com dimensões milimétricas poderiam desaparecer da parte exterior do disco muito mais rapidamente do que o próprio tempo de vida do disco.

Os anéis e as lacunas podem indicar alterações na pressão do gás que retêm essas partículas. Ao abrandar ou travar a sua deriva para o interior, estas armadilhas de pressão podem preservar concentrações de material sólido e criar locais favoráveis ao crescimento planetário.

“As nossas novas observações com o ALMA sugerem que tais armadilhas podem existir a apenas algumas unidades astronómicas de estrelas jovens, mesmo em discos extremamente compactos”, afirma a coautora do estudo, van der Marel. “Uma possível explicação para algumas das lacunas recentemente detetadas é que foram criadas por planetas jovens”.

Os investigadores estimaram que tipos de planetas poderiam produzir as estruturas observadas, caso cada lacuna fosse causada por um único planeta. No caso das estruturas situadas num raio de cinco unidades astronómicas, as massas necessárias situam-se no intervalo associado às super-Terras e aos mini-Neptunos. Estes possíveis planetas ocupariam uma região de massa planetária e distância orbital que é difícil de explorar, tanto com os atuais levantamentos exoplanetários como com as observações de discos centradas em escalas orbitais muito maiores.

“Se os planetas forem responsáveis por algumas destas lacunas, poderemos estar a observar os sinais de planetas de massa relativamente baixa enquanto ainda se estão a formar, a distâncias orbitais que até agora têm sido muito difíceis de aceder”, acrescenta Curone.

A equipa adverte que os anéis, lacunas e cavidades não constituem, por si só, deteções diretas de planetas. Vários mecanismos físicos podem criar estruturas nos discos protoplanetários, e as observações atuais não excluem completamente explicações não planetárias. Os autores concluem que uma origem planetária é consistente com as estruturas detetadas em vários discos, mas são necessárias mais observações para determinar o que as produz.

As observações revelaram ainda outra surpresa. Dois dos sistemas aparentemente compactos, Sz 73 e Sz 130, apresentam anéis ténues que se estendem bem para além dos seus brilhantes discos centrais. Quatro sistemas adicionais mostram sinais preliminares de emissão exterior semelhante. Isto levanta a possibilidade de que alguns discos classificados como muito pequenos possam ter material mais extenso que permaneceu oculto devido à sua fraca luminosidade.

Em conjunto, os resultados apontam para uma imagem mais contínua dos discos protoplanetários. Os discos grandes e os discos compactos podem partilhar muitas das mesmas estruturas básicas e processos físicos, sendo a principal diferença a escala em que ocorrem.

Ao resolver características com apenas algumas unidades astronómicas de diâmetro, o ALMA está a começar a colmatar a lacuna entre as observações de discos de formação planetária e as arquiteturas de sistemas planetários maduros. Futuras observações de alta resolução de discos mais compactos, em diferentes comprimentos de onda e utilizando marcadores tanto de poeira como de gás, ajudarão a determinar quão comuns são estas estruturas ocultas e se marcam verdadeiramente os locais de formação dos planetas que acabarão por emergir delas.

// Observatório ALMA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

Saiba mais:

Discos protoplanetários:
Wikipedia

Nuvem de Lobo:
Wikipedia

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array):
Página principal
ALMA (NRAO)
ALMA (ESO)