Os astrónomos utilizaram o instrumento SPHERE montado no Very Large Telescope do ESO para criar um conjunto notável de imagens que mostram discos de detritos em vários sistemas exoplanetários. Estas estruturas de poeira revelam as posições de pequenos objetos em torno das suas estrelas e fornecem informações raras sobre as fases iniciais do desenvolvimento planetário. Gaël Chauvin (Instituto Max Planck de Astronomia), cientista do projeto SPHERE e coautor do estudo, explica: “Este conjunto de dados é um tesouro astronómico. Fornece informações únicas sobre as propriedades dos discos de detritos e permite fazer inferências sobre objetos mais pequenos nestes sistemas que não podem ser diretamente observados, como asteroides e cometas.”
Em nosso sistema solar, depois de passar pelo Sol, pelos planetas e pelos planetas anões (como Plutão), você vê uma variedade de objetos menores (“pequenos”). Os cientistas estão particularmente interessados em objetos que variam em tamanho de um quilômetro a centenas de quilômetros. Aqueles que ocasionalmente liberam gás e poeira para formar características visíveis, como caudas, são chamados de cometas, enquanto aqueles que não mostram tal atividade são chamados de asteróides.
Esses pequenos objetos preservam pistas sobre os primeiros dias do sistema solar. Durante o longo processo de transformação de pequenas partículas em planetas, formam-se objetos intermediários chamados planetesimais. Asteróides e cometas são remanescentes de uma fase de transição, planetesimais que nunca se desenvolveram em planetas de tamanho real. Nesse sentido, são (até certo ponto) vestígios alterados dos mesmos ingredientes que outrora construíram a Terra.
Procurando por pequenos corpos em sistemas exoplanetários
Os astrónomos identificaram mais de 6.000 exoplanetas – planetas que orbitam outras estrelas além do Sol – dando-nos uma imagem mais clara de como os sistemas planetários estão a mudar ao longo da Via Láctea. Imaginar diretamente esses mundos continua extremamente difícil. Até agora, menos de 100 exoplanetas foram fotografados, e mesmo os maiores exoplanetas só podem ser vistos como pontos de luz sem características características.
Este desafio torna-se ainda maior quando se procura por pequenos objetos. “Parece completamente impossível encontrar quaisquer pistas diretas a partir de imagens sobre pequenos corpos em sistemas planetários distantes. Outros métodos indiretos usados para detectar exoplanetas também não são úteis,” disse o coautor do estudo, Dr. Julien Milly, astrónomo da Universidade de Grenoble Alpes.
A poeira é a chave para detectar planetesimais ocultos
A descoberta não vem dos pequenos objetos em si, mas da poeira criada quando eles colidem. Os sistemas planetários jovens são especialmente ativos. Os planetesimais frequentemente colidem uns com os outros, às vezes fundindo-se em corpos celestes maiores e às vezes dividindo-se em corpos celestes menores. Esses eventos liberam muita poeira fresca.
A física por trás da visibilidade da poeira é bastante intuitiva. Quebrar um objeto em vários pedaços menores preserva seu volume total, mas aumenta significativamente sua área de superfície. Por exemplo, se um asteróide com um quilómetro de largura fosse reduzido a partículas de poeira com apenas um micrómetro (milionésimos de metro) de diâmetro, a área total da superfície aumentaria mil milhões de vezes. Uma área de superfície maior significa que mais luz é refletida pela estrela, tornando a poeira mais fácil de detectar. Ao observar esta poeira, os astrónomos podem inferir detalhes sobre o pequeno objeto invisível que a criou.
Como os discos fragmentados evoluem ao longo do tempo
O disco de detritos não permanecerá brilhante para sempre. À medida que os sistemas jovens amadurecem, os conflitos tornam-se menos frequentes. A poeira pode ser empurrada para fora pela pressão da radiação da estrela central, varrida por planetas ou planetesimais, ou espiralar para dentro e cair na estrela.
Nosso sistema solar fornece um exemplo posterior. Bilhões de anos depois, ainda existem dois cinturões principais de planetesimais: o cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter, e o Cinturão de Kuiper, além dos planetas gigantes. Grupos de partículas de poeira menores também persistem, formando poeira zodiacal. Sob céus particularmente escuros, logo após o pôr do sol ou pouco antes do nascer do sol, a luz solar dispersa por esta poeira pode ser vista formando um brilho fraco chamado luz zodiacal.
Para os observadores que estudam o sistema solar à distância, estes vestígios ténues são difíceis de detectar. No entanto, novas pesquisas sugerem que estruturas de poeira semelhantes deveriam ter sido visíveis em torno de sistemas jovens durante aproximadamente os primeiros 50 milhões de anos de vida do disco de detritos. Capturar essas imagens é muito desafiador. A tarefa era como fotografar uma fina nuvem de fumaça de cigarro próximo aos refletores ofuscantes de um estádio, a vários quilômetros de distância. O SPHERE, que começou a operar num dos Very Large Telescope do ESO (VLT) na primavera de 2014, foi criado especificamente para situações como esta.
Como o SPHERE bloqueia a luz das estrelas para revelar características tênues
A ideia básica por trás do SPHERE nos é familiar devido à nossa experiência diária. Se o sol brilha diretamente em seus olhos, você pode levantar a mão para bloquear o brilho e ver o que está ao seu redor. SPHERE usa um coronógrafo para obter o mesmo efeito ao criar imagens de exoplanetas ou discos de detritos. Ao inserir um pequeno disco no caminho da luz da estrela, o instrumento bloqueia grande parte do brilho antes de capturar uma imagem. Esta abordagem só funciona se o sistema óptico permanecer extremamente estável e preciso.
Para manter esta estabilidade, o SPHERE conta com um sistema óptico adaptativo altamente avançado. A turbulência na atmosfera da Terra distorce a luz estelar que chega, e o SPHERE monitoriza continuamente essas distorções e utiliza espelhos deformáveis para corrigi-las em tempo real. Componentes opcionais também podem isolar a “luz polarizada”, que é característica da luz refletida da poeira, em vez da luz emitida diretamente da estrela. Esta filtragem adicional aumenta a capacidade do SPHERE de detectar discos de detritos fracos.
Uma grande investigação revela detalhes claros de 51 discos de detritos
O novo estudo apresenta um conjunto único de imagens do disco de detritos, criado através da análise da luz estelar espalhada por minúsculas partículas de poeira. “Para obter estes dados, processámos observações de 161 estrelas jovens próximas, cujas emissões infravermelhas indicam fortemente a presença de um disco de detritos,” diz Natalia Engler (ETH Zurique), principal autora do estudo. “A imagem resultante mostra 51 discos fragmentados com uma variedade de propriedades – alguns menores, outros maiores, alguns vistos de lado, alguns quase de frente – e uma diversidade considerável de estruturas de disco. Quatro dos discos nunca foram fotografados antes.”
Usar uma amostra tão grande permite a descoberta de padrões mais amplos. A análise mostra que estrelas jovens mais massivas tendem a ter discos de detritos mais massivos. Sistemas onde a poeira está concentrada mais longe da estrela também mostram tendência a formar discos mais massivos.
Anéis, cintos e dicas de planetas invisíveis
Um dos aspectos mais marcantes dos resultados do SPHERE é a extensa estrutura dentro do disco. Muitas mostram padrões em forma de anel ou faixa onde o material se acumula a distâncias específicas da estrela. Este arranjo é semelhante ao nosso próprio sistema solar, com pequenos corpos agrupados no cinturão de asteróides (asteróides) e no cinturão de Kuiper (cometas).
Pensa-se que estas estruturas se formaram a partir de planetas, particularmente planetas grandes que abriram o seu caminho à medida que orbitavam. Alguns dos planetas responsáveis foram descobertos. Noutros casos, arestas vivas ou assimetrias no disco sugerem fortemente a presença de planetas que ainda não foram observados diretamente. Portanto, a pesquisa SPHERE fornece um conjunto valioso de metas para futuras instalações. Os instrumentos do Telescópio Espacial James Webb (JWST) e do Extremely Large Telescope (ELT) em construção no Observatório Europeu do Sul deverão ser capazes de obter imagens diretas de pelo menos alguns dos planetas que formam estes anéis e lacunas de poeira.
Autor do estudo e detalhes da publicação
Os resultados aqui descritos foram publicados na revista Characterization of Debris Disks Observed with SPHERE por Natalia Engler et al. Astronomia e Astrofísica.
MPIA CV Archer, MPPIA, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland e Mark Felt (ETH Zuror), Julien Milli (CNRS, IPAG, University Alpes), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Vienna), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, University Greenble) Alps) e Hero.
