Cientistas encontram evidências acidentais de uma teoria controversa da formação planetária

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Diz a lenda que Isaac Newton concebeu pela primeira vez o conceito de gravitação universal depois que uma maçã caiu em sua cabeça, embora o infame pedaço de fruta possa ter na realidade acabou de cair no chão próximo. No entanto, acidentes e serendipidade têm desempenhado um papel significativo no avanço científico.

Este foi o caso de Thayne Currie, astrofísico do Centro de Pesquisa NASA-Ames e do Telescópio Subaru. Currie pode ter descoberto o mais jovem de todos os tempos protoplanetajuntamente com evidências de uma teoria controversa de formação de planetas, conforme relatado em um recente Astronomia da Natureza estudar.

Tudo começou em 2016, quando ele estava tentando estudar uma estrela com três possíveis protoplanetas ao seu redor. De repente, Currie teve um problema. “Por alguma razão, nosso instrumento não conseguiu fixar bem a estrela”, explica ele. “Esse era meu plano principal para a noite, então tive que pensar em outro plano – imediatamente.”

Uma descoberta inesperada

Ele precisava coletar algumas observações, embora não importasse muito de que sistema estelar elas fossem. Então ele foi procurar um substituto. AB Aurigae, uma jovem estrela a cerca de 531 anos-luz do nosso Sol, veio à mente imediatamente. Era um alvo relativamente fácil, com “um disco protoplanetário brilhante que tinha muita estrutura”, diz ele. Em termos astrofísicos, a estrutura refere-se a variações espaciais, o que significa que havia muito para ver neste disco.

“Então, meu pensamento era que, se mirarmos nessa estrela, detectaremos algo e será útil de alguma forma”, observa Currie. “Não sei o que será, mas será útil de alguma forma.”

Outros observatórios e instrumentos já haviam examinado Ab Aurigae antes, mas o telescópio Subaru em Mauna Kea, no Havaí, oferece tecnologia de ponta. Currie explica. Ele também afirma que é o melhor do planeta para óptica adaptativa.

Além de um disco multiespiral em torno de AB Aurigae, Currie também notou uma bolha brilhante e peculiar ao sul da estrela. Ele imaginou que era apenas um pedaço distorcido do disco, mas ele e seus colegas o encontraram em outro conjunto de dados. A equipe de Currie então encontrou evidências de que outro papel havia previsto um planeta naquele mesmo local.

Currie notou uma bolha incomum em AB Aurigae que o levou a uma descoberta surpreendente. (Crédito: Telescópio T. Currie/Subaru)

Tudo parecia muito promissor, mas Currie observa que o campo de investigação de protoplanetas se assemelha a um cemitério de alegações não comprovadas. “Há um longo histórico de que essas alegações estão erradas, então você precisa ter um cuidado especial”, explica ele.

No entanto, 13 anos de dados do telescópio Hubble demonstraram que o protoplaneta hipotético estava orbitando a estrela e se movendo no sentido anti-horário, de acordo com o que se sabia sobre o disco; outros dados sugeriram que o brilho do blob diferia daquele do disco. Além disso, a análise da intensidade da luz polarizada sugeriu que a bolha também estava separada do disco. “Essas evidências juntas nos dão confiança de que estamos vendo um protoplaneta, em vez de outra coisa”, diz ele.

Tampouco é um protoplaneta qualquer. Além de ser o mais jovem encontrado até hoje, está extraordinariamente longe de sua estrela-mãe – um total de 93 unidades astronômicas (AU). Esta é a primeira chance que os cientistas tiveram de sondar um protoplaneta ainda embutido no gás e poeira a partir do qual se formou, explica ele, e fornece evidências para uma controversa teoria da formação de planetas gigantes gasosos chamada instabilidade de disco.

Receitas para um gigante de gás

O modelo convencional, chamado de acreção do núcleo, explica que os planetas emergem quando pedaços rochosos de material colidem, crescendo gradualmente e adquirindo mais gravidade. É como os cientistas imaginam que os planetas rochosos do nosso sistema solar se formaram. Em 1980, um teoria proposto por Hiroshi Mizuno sugeriu que planetas rochosos suficientemente massivos, em torno de 10 massas terrestres, teriam adquirido gravidade suficiente para se tornarem gigantes gasosos.

Mas neste caso, Currie diz que a instabilidade do disco oferece uma explicação mais simples devido à grande massa do disco protoplanetário em torno de AB Aurigae, bem como a distância do protoplaneta da estrela. De acordo com a hipótese de instabilidade do disco, um disco protoplanetário particularmente massivo que está longe o suficiente da estrela-mãe é frio e grande o suficiente para que partes dele colapsem sob sua própria gravidade, formando braços espirais. A partir daí, pequenas perturbações e instabilidades nos braços criam bolsões de gravidade, que atraem material. Isso cria um efeito de fuga: à medida que o aglomerado cresce, adquire mais gravidade e puxa o material ainda mais rapidamente. Eventualmente, um novo planeta se materializa.

Considerando que o sistema AB Aurigae tem braços espirais, e o protoplaneta identificado por Currie e sua equipe é mais massivo que Júpiter, mas mais de 20 vezes mais distante de sua estrela do que Júpiter está da nossa, “corresponde ao que esperávamos para o disco instabilidade”, diz.

B Aurigae é cercado por um disco protoplanetário. (Crédito: ESO/Boccaletti et al./Wikimedia Commons)

Esta foi uma boa notícia para Alan Boss, que primeiro proposto a teoria da instabilidade do disco em 1997. Durante sua tese na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, ele escreveu modelos que rastreiam o colapso de nuvens de gás e poeira à medida que formam sistemas estelares. Boss esperava entender como os discos protoplanetários evoluíram. Mas quando ele executou os modelos, ele descobriu que alguns sistemas formavam braços espirais maciços o suficiente para colapsarem sobre si mesmos. “Eu não estava tentando encontrar outra maneira de fazer um planeta”, explica ele, “mas tropecei nele”.

Ele compara sua teoria à heresia na comunidade científica. Afinal, as primeiras descobertas de exoplanetas pareciam desafiar sua teoria. Os primeiros 100 ou mais Júpiteres quentes (gigantes gasosos que orbitam muito perto de sua estrela-mãe, o tipo de exoplaneta mais fácil de detectar) descoberto pelos astrônomos acabou cercando estrelas com maiores quantidades de metais, ou quaisquer elementos químicos mais pesados ​​que o hélio. A ideia era que, se você tivesse mais metais, teria mais materiais para construir Hot Jupiters por meio da acreção do núcleo, diz ele. E como os astrônomos estavam encontrando mais planetas ao redor dessas estrelas, foi tomado como prova de que a acreção do núcleo estava formando esses planetas.

“Então foi impressionante ver esses [recent] resultados, do que certamente parece um protoplaneta no meio de um braço espiral”, diz ele. O próximo passo, em sua opinião, é estabelecer o tamanho da massa que estão examinando. Como a acreção do núcleo começa pequena e aumenta, enquanto a instabilidade do disco começa grande e encolhe (à medida que a nuvem colapsa para formar o gigante gasoso), será crucial determinar o tamanho do protoplaneta.

Aglomerados como evidência

AB Aurigae pode conter evidências ainda mais fortes que apoiam a instabilidade do disco. A equipe de Currie sinalizou duas áreas de interesse em distâncias astronomicamente maiores, cerca de 430 a 580 UA da estrela. “Morfologicamente, eles parecem aglomerados”, diz Currie, e “estamos sinalizando-os como locais potenciais para a formação de planetas”. Se eles se tornarem protoplanetas, ele não vê como eles poderiam ter sido formados por acreção de núcleo.

Boss diz que executou modelos de estrelas com cerca de 1,5 massas solares, que são menores que AB Aurigae (tem cerca de duas massas solares). “Mostrei que poderia facilmente produzir quatro ou cinco aglomerados maciços”, grandes o suficiente para potencialmente entrar em colapso em protoplanetas, diz ele. Então, se essas outras características estiverem ligadas e orbitando a estrela, ele vê evidências de instabilidade do disco.

Ele observou que os aglomerados identificados pela equipe de Currie estariam muito distantes para a formação de planetas, mesmo para a instabilidade do disco. Mas “se eles estão por aí e é difícil para a instabilidade do disco produzi-los, seria ainda mais difícil para o acréscimo do núcleo”, diz Boss.



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