As impressionantes imagens espaciais do SPHERE revelam onde novos planetas estão se formando

Em nosso próprio 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 de cerca de 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 chamados de asteróides.

Estes pequenos corpos preservam pistas dos primeiros dias do sistema solar. Durante o longo processo em que pequenos grãos 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 (um tanto) alterados dos mesmos ingredientes que outrora construíram a Terra.

Procurando por pequenos corpos em sistemas exoplanetários

Os astrónomos identificaram mais de 6.000 exoplanetas (isto é, planetas que orbitam outras estrelas que não o Sol), dando-nos uma imagem mais clara de como os sistemas planetários variam em toda a galáxia. Imaginar diretamente esses 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 características.

Este desafio 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 os pequenos corpos num sistema planetário distante a partir de imagens parece absolutamente impossível. Os outros métodos indirectos usados ​​para detectar exoplanetas também não ajudam.”

A poeira fornece a chave para detectar planetesimais ocultos

A descoberta não vem dos pequenos corpos 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 maiores e às vezes fragmentando-se em corpos menores. Esses eventos liberam grandes quantidades de poeira fresca.

A física por trás da visibilidade da poeira é surpreendentemente intuitiva. Quebrar um objeto em vários pedaços minúsculos preserva seu volume total, mas aumenta drasticamente sua área de superfície. Por exemplo, se um asteróide com um quilómetro de largura fosse reduzido a grãos de poeira com apenas um micrómetro de diâmetro (um milionésimo de metro), a área total da superfície aumentaria por um factor de mil milhões. Mais área de superfície significa muito mais luz refletida da estrela, o que torna a poeira mais fácil de detectar. Ao observar essa poeira, os astrónomos 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, as colisões tornam-se mais raras. 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 de estágio final. Depois de bilhões de anos, restam dois grandes cinturões de planetesimais: 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. Sob céus especialmente escuros, a luz solar dispersa 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 vestígios tênues seriam difíceis de detectar. A nova investigação, no entanto, mostra que estruturas empoeiradas semelhantes em torno de sistemas mais jovens deverão ser visíveis durante aproximadamente os primeiros 50 milhões de anos de 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 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 criado especificamente para tais situações.

Como o SPHERE bloqueia a luz das estrelas para revelar características tênues

A ideia fundamental por trás do SPHERE é familiar na experiência cotidiana. Se o Sol estiver brilhando diretamente em seus olhos, você pode levantar a mão para proteger 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 a maior parte do brilho antes que a imagem seja capturada. Este método só funciona se o sistema óptico permanecer extremamente estável e preciso.

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

Uma grande pesquisa revela 51 discos de detritos em detalhes nítidos

O 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 recolha, processámos dados de observações de 161 estrelas jovens próximas, cuja emissão infravermelha indica fortemente a presença de um disco de detritos,” diz Natalia Engler (ETH Zurique), autora principal da investigação. “As imagens resultantes mostram 51 discos de detritos com uma variedade de propriedades – alguns mais pequenos, outros maiores, alguns vistos de lado e alguns quase de frente – e uma diversidade considerável de estruturas de disco. Quatro dos discos nunca tinham sido fotografados antes.”

Trabalhar com uma amostra tão grande permite encontrar padrões mais amplos. A análise revelou que estrelas jovens mais massivas tendem a alojar 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 faixas, com material agrupado a distâncias específicas 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 moldadas por planetas, especialmente os grandes, que abrem caminhos à medida que orbitam. Alguns dos planetas responsáveis ​​já foram detectados. Noutros casos, arestas vivas ou assimetrias 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 montados no Telescópio Espacial James Webb (JWST) e no Extremely Large Telescope (ELT) em construção pelo ESO deverão ser capazes de obter imagens diretas de pelo menos alguns dos planetas que estão a esculpir estes anéis e lacunas empoeiradas.

Autores do estudo e detalhes da publicação

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

O MPIA resume arqueiros, o MPPIA, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland e Mark Felt, em colaboração (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 Grenble Alps) e heróis.