A morfologia aninhada dos fluxos de gás confirma um mecanismo que ajuda as estrelas infantis a crescer através da ingestão de material do disco.
Os discos formadores de planetas, redemoinhos de gás e poeira que giram em torno de estrelas jovens, são berçários que dão origem a sistemas planetários, incluindo o nosso sistema solar. Os astrónomos descobriram novos detalhes dos fluxos de gás que esculpem e moldam esses discos ao longo do tempo. A estrutura aninhada observada desses fluxos confirma um mecanismo há muito teorizado que permite que a estrela cresça batendo no material do disco.
A cada segundo, mais de 3.000 estrelas nascem no universo visível. Muitos estão rodeados pelo que os astrónomos chamam de disco protoplanetário – uma panqueca rodopiante de gás quente e poeira que alimenta o crescimento da estrela central e fornece os blocos de construção de novos planetas. No entanto, os processos exatos que dão origem às estrelas e aos sistemas planetários ainda são pouco compreendidos.
JWST analisa detalhadamente os ventos do disco
Uma equipe de astrônomos liderada por pesquisadores da Universidade do Arizona, apoiada por cientistas do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para obter alguns dos insights mais detalhados sobre as forças que moldam discos protoplanetários. As observações oferecem vislumbres de como seria o nosso sistema solar há 4,6 mil milhões de anos.
Especificamente, a equipe conseguiu rastrear os chamados ventos de disco com detalhes sem precedentes. Esses ventos são correntes de gás que sopram do disco de formação planetária para o espaço. Alimentados principalmente por campos magnéticos, esses ventos podem viajar dezenas de quilômetros em apenas um segundo. As descobertas dos pesquisadores, publicadas em Astronomia da Naturezaajudam os astrónomos a compreender melhor como os sistemas planetários jovens se formam e evoluem.
De acordo com a principal autora do artigo, Ilaria Pascucci, professora do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona, um dos processos mais importantes em ação num disco protoplanetário é a estrela comendo matéria do disco circundante, que os astrónomos chamam de acreção.
-A forma como uma estrela acumula massa tem uma grande influência na forma como o disco circundante evolui ao longo do tempo, incluindo a forma como os planetas se formam mais tarde,- disse Pascucci. -As formas específicas como isto acontece não foram compreendidas, mas pensamos que os ventos impulsionados por campos magnéticos na maior parte da superfície do disco podem desempenhar um papel muito importante.-
Os ventos do disco magnetizado ajudam no crescimento estelar
As estrelas jovens crescem puxando gás do disco que gira à sua volta, mas para que isso aconteça, o gás deve primeiro libertar-se de alguma da sua inércia. Caso contrário, o gás orbitaria consistentemente a estrela e nunca cairia sobre ela. Os astrofísicos chamam esse processo de “perda de momento angular”, mas como exatamente isso acontece ainda é indefinido.
Para entender melhor como o momento angular funciona em um disco protoplanetário, é útil imaginar uma patinadora artística no gelo: colocar os braços ao lado do corpo fará com que ela gire mais rápido, enquanto esticá-los irá desacelerar sua rotação. Como a sua massa não muda, o momento angular permanece o mesmo.
Para que ocorra acreção, o gás através do disco precisa perder momento angular. Ainda assim, os astrofísicos têm dificuldade em concordar sobre como exatamente isso acontece. Nos últimos anos, os ventos do disco impulsionados magneticamente surgiram como atores essenciais, canalizando parte do gás da superfície do disco – com isso, o momento angular – permitindo que o gás restante se movesse para dentro e, finalmente, caísse sobre a estrela.
Como distinguir entre mecanismos de vento
Como outros processos em funcionamento também moldam discos protoplanetários, é fundamental ser capaz de distinguir entre os diferentes fenómenos, de acordo com a segunda autora do artigo, Tracy Beck, do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial da NASA.
Enquanto o campo magnético da estrela empurra para fora o material da borda interna do disco, no que os astrônomos chamam de vento X, as partes externas do disco são erodidas pela intensa luz estelar, resultando nos chamados ventos térmicos, que sopram em velocidades muito mais lentas. . A alta sensibilidade e resolução do JWST foram ideais para distinguir entre o vento impulsionado pelo campo magnético, o vento térmico e o vento X.
Uma propriedade crucial que distingue o vento impulsionado magneticamente do vento X é que eles estão localizados mais distantes e se estendem por regiões mais amplas, incluindo os planetas rochosos internos do nosso sistema solar – aproximadamente entre a Terra e Marte. Esses ventos também se estendem mais acima do disco do que os ventos térmicos, atingindo centenas de vezes a distância entre a Terra e o Sol.
-Já havíamos encontrado indicações observacionais para tal vento com base em observações interferométricas em comprimentos de onda de rádio,- aponta o astrônomo do MPIA, Dmitry Semenov. Ele também é coautor do estudo subjacente. No entanto, essas observações não conseguiram sondar toda a morfologia do vento do disco, muito menos imaginá-los em detalhe. Em particular, a estrutura aninhada dos vários componentes do vento, uma marca registrada desses ventos de disco, estava além das capacidades de observação. Em contraste, as novas observações do JWST revelaram essa estrutura sem qualquer dúvida. A morfologia observada corresponde às expectativas de um vento de disco acionado magneticamente.
-Nossas observações sugerem fortemente que obtivemos as primeiras imagens detalhadas dos ventos que podem remover o momento angular e resolver o antigo problema de como as estrelas e os sistemas planetários se formam,- disse Pascucci.
Para o seu estudo, os investigadores seleccionaram quatro sistemas de discos protoplanetários, todos aparecendo de perfil quando vistos da Terra. A sua orientação permitiu que a poeira e o gás no disco agissem como uma máscara, bloqueando parte da luz brilhante da estrela central, que de outra forma teria sobrepujado os ventos.
O NIRSpec do JWST resolve a morfologia do vento aninhada
A equipe conseguiu rastrear várias camadas de vento ajustando o detector NIRSpec do JWST para átomos e moléculas distintas em certos estados de transição. NIRSpec é o espectrógrafo infravermelho próximo de alta resolução do JWST. Os astrônomos obtiveram informações espectrais espacialmente resolvidas em todo o campo de visão, empregando a Unidade de Campo Integral (IFU) do espectrógrafo, essencialmente uma grade que observa posições distintas no céu. Desta forma, os cientistas sintetizaram imagens em vários comprimentos de onda de diagnóstico, cada uma delas comparativamente grosseira, mas ainda assim suficientemente boa para resolver a morfologia.
As observações revelaram uma estrutura tridimensional intrincada de um jato central aninhado dentro de um envelope em forma de cone de ventos originados em distâncias de disco progressivamente maiores, semelhante à estrutura em camadas de uma cebola. Segundo os pesquisadores, uma nova descoberta importante foi a detecção consistente de um buraco central pronunciado dentro dos cones, formado por ventos moleculares em cada um dos quatro discos.
Em seguida, a equipe de Pascucci espera expandir essas observações para mais discos protoplanetários para entender melhor quão comuns são as estruturas de vento em disco observadas no universo e como elas evoluem.
-Acreditamos que possam ser comuns, mas com quatro objetos é um pouco difícil dizer,- disse Pascucci. -Queremos obter uma amostra maior com o JWST e também ver se podemos detectar mudanças nesses ventos à medida que as estrelas se juntam e os planetas se formam.-
Informações básicas
Os cientistas do MPIA envolvidos neste estudo são Dmitry Semenov e Kamber Schwarz.
Outros pesquisadores incluem Ilaria Pascucci (Laboratório Lunar e Planetário, Universidade do Arizona, Tucson, EUA [UofA]líder do estudo), Tracy L. Beck (Space Telescope Science Institute, Baltimore, EUA), Sylvie Cabrit (Observatoire de Paris, LERMA, CNRS, Paris, França) e Naman S. Bajaj (UofA).
O NIRSpec faz parte da contribuição da Agência Espacial Europeia (ESA) para a missão Webb, construída por um consórcio de empresas europeias liderado pela Airbus Defence and Space (ADS). O Goddard Space Flight Center da NASA forneceu dois subsistemas (detectores e micro-obturadores). A MPIA foi responsável pela aquisição de componentes elétricos das rodas da grade NIRSpec.
O JWST é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. É um programa internacional liderado pela NASA em conjunto com os seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
