Utilizando o instrumento SPHERE montado no Very Large Telescope do ESO, os astrónomos produziram um extraordinário conjunto de imagens que mostram discos de detritos numa vasta gama de sistemas exoplanetários. Estas estruturas empoeiradas mostram onde pequenos corpos orbitam as suas estrelas e fornecem informações raras sobre as fases iniciais do desenvolvimento de um planeta. Gael Chavin (Instituto Max Planck de Astronomia), cientista do projeto SPHERE e coautor do estudo, explica: “Este conjunto de dados é um tesouro astronómico. Fornece uma visão excecional sobre as propriedades dos discos de detritos e permite-nos inferir corpos mais pequenos, como asteroides e cometas, nestes sistemas, que não podem ser diretamente observados.”
Em nosso sistema solar, quando você olha além do Sol, dos planetas e dos planetas anões como Plutão, uma enorme variedade de corpos menores (“menores”) aparece à vista. Os cientistas prestam atenção especial a objetos que variam em tamanho de cerca de um quilômetro a várias centenas de quilômetros. Aqueles que ocasionalmente emitem gás e poeira para formar características visíveis, como uma cauda, são chamados de cometas, enquanto aqueles que não mostram tal atividade são chamados de asteróides.
Esses pequenos corpos contêm pistas sobre os primeiros dias do Sistema Solar. Durante o longo processo em que as minúsculas sementes se transformaram em planetas, formaram-se objetos intermediários conhecidos como planetesimais. Asteróides e cometas são remanescentes dessa fase de transição, planetesimais que nunca se desenvolveram em planetas de tamanho real. Nesse sentido, são vestígios (ligeiramente) alterados dos próprios ingredientes que outrora construíram a Terra.
Procure por pequenos corpos em sistemas exoplanetários
Os astrónomos identificaram mais de 6.000 exoplanetas (ou seja, planetas que orbitam outras estrelas que não o Sol), dando-nos uma imagem mais clara de como os sistemas planetários estão a mudar em toda a galáxia. Renderizar diretamente esses mundos ainda é extremamente difícil. Menos de 100 exoplanetas foram fotografados até agora, e mesmo os maiores deles aparecem apenas como pontos de luz sem características características.
Este problema torna-se ainda maior quando se procura corpos pequenos. Como observa o Dr. Julien Milli, astrónomo da Universidade de Grenoble-Alpes e co-autor do estudo: “Encontrar quaisquer pistas directas sobre pequenos corpos num sistema planetário distante a partir das imagens parece completamente impossível. Outros métodos indirectos usados para detectar exoplanetas também não ajudam.”
A poeira é a chave para descobrir planetesimais escondidos
A descoberta não vem dos pequenos corpos em si, mas da poeira que se forma quando eles colidem. Os sistemas planetários jovens são especialmente ativos. Os planetesimais frequentemente colidem uns com os outros, às vezes fundindo-se em corpos maiores e às vezes dividindo-se em corpos menores. Esses eventos liberam uma enorme quantidade de poeira fresca.
A física da visibilidade da poeira é surpreendentemente intuitiva. Quebrar um objeto em muitas partes minúsculas preserva seu volume geral, mas aumenta drasticamente sua área de superfície. Por exemplo, se um asteróide com largura de um quilômetro for reduzido a partículas de poeira com diâmetro de apenas um micrômetro (milionésimo de metro), a área total da superfície aumentará um bilhão de vezes. A área de superfície maior significa que muito mais luz é refletida pela estrela, facilitando a detecção de poeira. Ao observar esta poeira, os astrónomos podem fazer inferências sobre os pequenos corpos invisíveis que a produzem.
Como as unidades de lixo evoluem ao longo do tempo
Os discos de detritos não permanecem brilhantes para sempre. À medida que um sistema jovem amadurece, as colisões tornam-se menos frequentes. A poeira pode ser empurrada para fora pela pressão da radiação da estrela central, levantada por planetas ou planetesimais, ou espiralar para dentro e cair sobre a estrela.
Nosso sistema solar fornece um exemplo de estágio tardio. Depois de bilhões de anos, restam dois cinturões planetesimais principais: o cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter e o cinturão de Kuiper além dos planetas gigantes. Uma população de grãos de poeira menores também persiste, criando poeira zodiacal. Em céus particularmente escuros, a luz solar espalhada por esta poeira pode ser vista logo após o pôr do sol ou antes do nascer do sol como um brilho fraco chamado luz zodiacal.
Para os observadores que estudam o nosso sistema solar à distância, estes ténues vestígios seriam difíceis de detectar. O novo estudo, no entanto, mostra que estruturas de poeira semelhantes em torno de sistemas mais jovens deverão ser visíveis durante os primeiros 50 milhões de anos de vida do disco de detritos. Capturar essas imagens é extremamente difícil. A tarefa foi comparada a fotografar uma fina nuvem de fumaça de cigarro perto de um holofote ofuscante de um estádio, a vários quilômetros de distância. O SPHERE, que começou a operar num dos Very Large Telescopes (VLT) do ESO na primavera de 2014, foi concebido especificamente para tais situações.
Como o SPHERE bloqueia a luz das estrelas para revelar características tênues
A ideia fundamental do SPHERE é familiar à experiência cotidiana. Quando 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 das estrelas, o dispositivo bloqueia a maior parte do brilho antes de capturar a imagem. Este método só funciona se o sistema óptico permanecer muito estável e preciso.
Para manter esta estabilidade, o SPHERE conta com uma versão altamente desenvolvida de óptica adaptativa. A turbulência na atmosfera da Terra distorce a luz estelar que chega, e o SPHERE monitora constantemente essas distorções e as corrige em tempo real usando um espelho distorcido. O componente extra também pode isolar a “luz polarizada”, que é característica da luz refletida pela poeira, em vez de emitida diretamente pela estrela. Esta filtragem adicional aumenta a capacidade do SPHERE de detectar discos de detritos fracos.
Extensa pesquisa revela 51 discos de detritos com detalhes nítidos
Um novo estudo apresenta um conjunto único de imagens de discos de detritos criados pela análise da luz estelar espalhada por minúsculas partículas de poeira. “Para obter esta coleção, processámos os dados observacionais de 161 estrelas jovens próximas, cuja emissão infravermelha indica fortemente a presença de um disco de detritos,” diz Natalya Engler (ETH Zurique), principal autora do estudo. “As imagens resultantes mostram 51 discos de detritos com propriedades diferentes – alguns menores, outros maiores, alguns vistos de lado e alguns quase de frente – e uma variedade significativa de estruturas de disco. Quatro dos discos nunca foram fotografados antes.”
Trabalhar com uma amostra tão grande permite encontrar padrões mais amplos. A análise mostrou que estrelas jovens mais massivas tendem a conter discos de detritos mais massivos. Sistemas onde a poeira está concentrada mais longe da estrela também mostram uma tendência para discos mais massivos.
Anéis, cintos e dicas de planetas invisíveis
Um dos aspectos mais atraentes dos resultados do SPHERE é a ampla gama de estruturas dentro dos discos. Muitas mostram anéis ou padrões semelhantes a nebulosas de material coletado a certas distâncias da estrela. Este arranjo assemelha-se ao nosso próprio sistema solar, onde pequenos corpos se reúnem no cinturão de asteróides (asteróides) e no cinturão de Kuiper (cometas).
Acredita-se que essas estruturas sejam formadas por planetas, especialmente os grandes, abrindo caminhos em suas órbitas. Alguns dos planetas responsáveis por isto já foram identificados. Noutros casos, arestas vivas ou assimetria nos discos sugerem fortemente a presença de planetas que ainda não foram observados diretamente. Por causa disso, 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) que o ESO está a construir deverão ser capazes de obter imagens diretas de pelo menos alguns dos planetas que constituem estes anéis e fissuras poeirentas.
Autores do estudo e detalhes da publicação
Os resultados aqui descritos foram publicados na revista Natalya Engler et al., Characterization of Debris Discs Observed with SPHERE. Astronomia e astrofísica.
Resumo MPIA de arqueiros, MPPIA, Thomas Henning, Samantha Braun, Matthias Samland e Mark Felt, em colaboração (ETH Zuror), Julien Millia (CNRS, IPAG, Universidade dos Alpes), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicole ou Venna), Nicolely ou Venna), Nicolely ou Viena), Nicolely ou Vennaverity (Universidade (Uunainity Alpes), Nicolely ou Vennaverity (UNinature. Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Universidade Greenble Alps) e heróis.
