Imagens impressionantes do SPHERE mostram locais de formação de novos planetas

Olhando para pequenos corpos em sistemas exoplanetários

Em nosso próprio sistema solar, ao olhar além do Sol, dos planetas e dos planetas-anões como Plutão, uma enorme variedade de corpos menores (“menores”) se torna visível. Os cientistas prestam atenção especial a objetos que variam de aproximadamente um quilômetro a várias centenas de quilômetros de tamanho. Aqueles que ocasionalmente liberam gás e poeira para formar características visíveis como uma cauda são chamados de cometas, enquanto aqueles que não mostram tal atividade são rotulados como asteroides.

Estes pequenos corpos preservam pistas sobre os primeiros dias do sistema solar. Durante o longo processo em que grãos minúsculos cresceram e se tornaram planetas, objetos intermediários conhecidos como planetesimais se formaram. Asteroides e cometas são remanescentes dessa fase de transição, planetesimais que nunca se desenvolveram em planetas de pleno tamanho. Nesse sentido, eles são (de certa forma) traços alterados dos mesmos ingredientes que um dia formaram a Terra.

Buscando pequenos corpos em sistemas exoplanetários

Astrônomos identificaram mais de 6000 exoplanetas (ou seja, planetas que orbitam estrelas que não são o Sol), nos proporcionando uma imagem mais clara de como os sistemas planetários variam ao longo da galáxia. A imagem direta desses mundos ainda é extremamente difícil. Menos de 100 exoplanetas foram fotografados até agora, e mesmo os maiores aparecem apenas como pontos de luz sem características.

Esse desafio se torna ainda maior ao buscar pequenos corpos. Como observa o Dr. Julien Milli, astrônomo da Universidade Grenoble Alpes e coautor do estudo: “Encontrar qualquer pista direta sobre pequenos corpos em um sistema planetário distante a partir de imagens parece impossível. Os outros métodos indiretos usados para detectar exoplanetas também não ajudam.”

A poeira fornece a chave para detectar planetesimais ocultos

A grande descoberta não vem dos próprios pequenos corpos, mas da poeira criada quando colidem. Sistemas planetários jovens são especialmente ativos. Planetesimais frequentemente colidem entre si, às vezes se fundindo em corpos maiores e, às vezes, se fragmentando em menores. Esses eventos liberam grandes quantidades de poeira nova.

A física por trás da visibilidade da poeira é surpreendentemente intuitiva. Quebrar um objeto em muitos pedaços minúsculos preserva seu volume total, mas aumenta dramaticamente sua área de superfície. Por exemplo, se um asteroide de um quilômetro de largura fosse triturado em grãos de poeira com apenas um micrômetro de diâmetro (um milionésimo de metro), a área de superfície total aumentaria em um fator de um bilhão. Mais área de superfície significa muito mais luz refletida da estrela, tornando a poeira mais fácil de detectar. Observando essa poeira, os astrônomos podem inferir detalhes sobre os pequenos corpos invisíveis que a produzem.

Como os discos de detritos evoluem ao longo do tempo

Os discos de detritos não permanecem brilhantes para sempre. À medida que um sistema jovem amadurece, colisões se tornam mais raras. A poeira pode ser empurrada para fora pela pressão de radiação da estrela central, ser varrida por planetas ou planetesimais, ou espiralizar para dentro e cair na estrela.

Nosso sistema solar fornece um exemplo de estágio avançado. Após bilhões de anos, duas grandes cinturas de planetesimais permanecem: a cintura de asteroides entre Marte e Júpiter e a cintura de Kuiper além dos planetas gigantes. Uma população de grãos menores de poeira também persiste, criando poeira zodiacal. Sob céus especialmente escuros, a luz do sol dispersa por essa poeira pode ser vista logo após o pôr do sol ou antes do amanhecer como um brilho fraco chamado luz zodiacal.

Para observadores estudando nosso sistema solar à distância, esses vestígios tênues seriam difíceis de detectar. A nova pesquisa, no entanto, mostra que estruturas empoeiradas semelhantes em torno de sistemas mais jovens devem ser visíveis por aproximadamente os primeiros 50 milhões de anos da vida de um disco de detritos. Capturar essas imagens é extremamente desafiador. A tarefa foi comparada a fotografar uma fina nuvem de fumaça de cigarro ao lado de uma luz intensa de um estádio a vários quilômetros de distância. O SPHERE, que começou a operar em um dos Very Large Telescopes do ESO na primavera de 2014, foi criado especificamente para tais situações.

Como o SPHERE bloqueia a luz estelar para revelar recursos fracos

A ideia fundamental por trás do SPHERE é familiar do dia a dia. Se o Sol brilha diretamente em seus olhos, você pode levantar a mão para bloquear o brilho e ver o que está ao redor. O SPHERE usa um coronógrafo para alcançar o mesmo efeito ao capturar imagens de exoplanetas ou discos de detritos. Ao inserir um pequeno disco no caminho da luz da estrela, o instrumento bloqueia a maior parte do brilho antes que a imagem seja capturada. Este método só funciona se o sistema óptico se mantiver extremamente estável e preciso.

Para manter essa estabilidade, o SPHERE depende de uma versão altamente avançada de óptica adaptativa. A turbulência na atmosfera da Terra distorce a luz estelar que chega, e o SPHERE monitora continuamente essas distorções e as corrige em tempo real utilizando um espelho deformável. Um componente opcional também pode isolar “luz polarizada”, que é característica da luz refletida pela poeira, ao invés de emitida diretamente de uma estrela. Essa filtragem adicional aumenta a capacidade do SPHERE de detectar discos de detritos fracos.

Um grande levantamento revela 51 discos de detritos em detalhes nítidos

O novo estudo apresenta um conjunto único de imagens de discos de detritos criado a partir da análise da luz estelar dispersa por pequenas partículas de poeira. “Para obter esta coleção, processamos dados de observações de 161 estrelas jovens próximas cuja emissão infravermelha indica fortemente a presença de um disco de detritos”, diz Natalia Engler (ETH Zurich), a autora principal da pesquisa. “As imagens resultantes mostram 51 discos de detritos com uma variedade de propriedades – alguns menores, alguns maiores, alguns vistos de lado e outros quase de frente – e uma considerável diversidade de estruturas de disco. Quatro dos discos nunca haviam sido imageados antes.”

Trabalhar com um conjunto tão grande torna possível identificar padrões mais amplos. A análise revelou que estrelas jovens mais massivas tendem a abrigar discos de detritos mais massivos. Sistemas onde a poeira está concentrada mais longe da estrela também mostram uma tendência a discos mais massivos.

Anéis, cinturões e indícios de planetas invisíveis

Um dos aspectos mais intrigantes dos resultados do SPHERE é a ampla gama de estruturas dentro dos discos. Muitos mostram anéis ou padrões em forma de banda, com material agrupado a distâncias específicas da estrela. Esse arranjo se assemelha ao nosso próprio sistema solar, onde pequenos corpos se reúnem na cintura de asteroides (asteroides) e na cintura de Kuiper (cometas).

Essas estruturas são thought to be moldadas por planetas, especialmente os grandes que limpam os caminhos enquanto orbitam. Alguns dos planetas responsáveis já foram detectados. Em outros casos, bordas nítidas ou assimetrias nos discos sugerem fortemente a presença de planetas que ainda não foram observados diretamente. Por causa disso, o levantamento do SPHERE fornece um conjunto valioso de alvos para as próximas instalações. Instrumentos no Telescópio Espacial James Webb (JWST) e no Telescópio Extremely Large (ELT) que está em construção pelo ESO devem ser capazes de imagear diretamente pelo menos alguns dos planetas que estão moldando esses anéis e lacunas empoeiradas.

Autores do estudo e detalhes da publicação

Os resultados descritos aqui foram publicados como Natalia Engler et al., “Caracterização de discos de detritos observados com SPHERE,” na revista Astronomy and Astrophysics.

Os pesquisadores do MPIA envolvidos são Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland e Markus Feldt, em colaboração com Natalia Engler (ETH Zürich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Universidade Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universidade de Viena), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Universidade Grenoble Alpes) e outros.