Usando o instrumento SPHERE no Very Large Telescope (VLT) do ESO, astrônomos criaram um conjunto extraordinário de imagens mostrando discos de detritos em uma ampla gama de sistemas exoplanetários. Essas estruturas empoeiradas revelam onde pequenos corpos orbitam suas estrelas e fornecem raras informações sobre os estágios 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 astronômico. Ele fornece insights excepcionais sobre as propriedades dos discos de detritos e permite deduções sobre corpos menores, como asteroides e cometas nesses sistemas, que são impossíveis de observar diretamente.”
No nosso próprio sistema solar, uma vez que se olha além do Sol, dos planetas e dos planetas anões, como Plutão, uma enorme variedade de corpos menores (“corpos minoritários”) se torna visível. 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 os que não apresentam tal atividade são rotulados como asteroides.
Esses pequenos corpos preservam pistas sobre os primeiros dias do sistema solar. Durante o longo processo em que grãos minúsculos cresceram até se tornarem planetas, formaram-se objetos intermediários conhecidos como planetesimais. Asteroides e cometas são remanescentes dessa fase transitória, planetesimais que nunca se desenvolveram em planetas de tamanho completo. 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 além do Sol), o que nos proporciona uma visão mais clara de como os sistemas planetários variam ao longo da galáxia. A captura de imagens diretas 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 procurar pequenos corpos. Como observa o Dr. Julien Milli, astrônomo da Universidade Grenoble Alpes e coautor do estudo: “Encontrar quaisquer pistas diretas sobre os pequenos corpos em um sistema planetário distante a partir de imagens parece totalmente impossível. Os outros métodos indiretos usados para detectar exoplanetas também não ajudam.”
O pó fornece a chave para detectar planetesimais escondidos
A descoberta não vem dos pequenos corpos em si, mas da poeira criada quando eles colidem. Sistemas planetários jovens são especialmente ativos. Planetesimais frequentemente colidem uns com os outros, às vezes se fundindo em corpos maiores e outras vezes se fragmentando em menores. Esses eventos liberam vastas quantidades de poeira nova.
A física por trás da visibilidade da poeira é surpreendentemente intuitiva. Quebrar um objeto em muitos pedaços pequenos preserva seu volume total, mas aumenta drasticamente sua área superficial. 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 superficial total aumentaria em um fator de um bilhão. Mais área superficial significa muito mais luz refletida da estrela, o que torna a poeira mais fácil de detectar. Ao observar 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, as colisões se tornam mais raras. A poeira pode ser empurrada para fora pela pressão da radiação da estrela central, capturada por planetas ou planetesimais, ou espiralizar para dentro e cair na estrela.
Nossa própria sistema solar fornece um exemplo em estágio avançado. Depois de bilhões de anos, duas grandes cinturões de planetesimais permanecem: o cinturão de asteroides 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 do sol dispersada por essa poeira pode ser vista logo após o pôr do sol ou antes do amanhecer como um brilho tênue chamado luz zodiacal.
Para observadores estudando nosso sistema solar de longe, esses restos tênues seriam difíceis de detectar. No entanto, a nova pesquisa mostra que estruturas empoeiradas semelhantes ao redor de sistemas mais jovens devem ser visíveis durante 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 um ofuscante holofote de um estádio a vários quilômetros de distância. O SPHERE, que começou a operar em um dos Very Large Telescopes (VLT) do ESO na primavera de 2014, foi criado especificamente para tais situações.
Como o SPHERE bloqueia a luz estelar para revelar características tênues
A ideia fundamental por trás do SPHERE é familiar na experiência cotidiana. Se o Sol está brilhando diretamente em seus olhos, você pode erguer a mão para proteger o reflexo e poder ver o que está ao redor. O SPHERE usa um coronógrafo para conseguir o mesmo efeito ao fotografar exoplanetas ou discos de detritos. Ao inserir um pequeno disco no caminho da luz da estrela, o instrumento bloqueia a maior parte da luz intensa antes que a imagem seja capturada. Esse método só funciona se o sistema óptico permanecer extremamente estável e preciso.
Para manter essa estabilidade, o SPHERE se baseia em 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 usando um espelho deformável. Um componente opcional também pode isolar a “luz polarizada”, que é característica da luz refletida por poeira em vez de emitida diretamente de uma estrela. Essa filtragem adicional aprimora a capacidade do SPHERE de detectar discos de detritos tênues.
Uma grande pesquisa revela 51 discos de detritos em detalhes nítidos
O novo estudo apresenta um conjunto único de imagens de discos de detritos, criado analisando a luz estelar espalhada por pequenas partículas de poeira. “Para obter essa 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, outros maiores, alguns vistos de lado e outros quase de frente — e uma considerável diversidade de estruturas de discos. Quatro dos discos nunca haviam sido fotografados antes.”
Trabalhar com um grande conjunto torna possível encontrar padrões mais amplos. A análise revelou que estrelas jovens mais massivas tendem a hospedar discos de detritos mais massivos. Sistemas onde a poeira está concentrada mais longe da estrela também mostram tendência a discos mais massivos.
Anéis, cintos e indícios de planetas invisíveis
Um dos aspectos mais intrigantes dos resultados do SPHERE é a ampla variedade de estruturas dentro dos discos. Muitos mostram anéis ou padrões em forma de faixa, com material agrupado a distâncias específicas da estrela. Esse arranjo se assemelha ao nosso próprio sistema solar, onde pequenos corpos se reúnem no cinturão de asteroides (asteroides) e no cinturão de Kuiper (cometas).
Essas estruturas acreditam-se que sejam moldadas por planetas, especialmente grandes que limpam 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, a pesquisa do SPHERE fornece um conjunto valioso de alvos para as instalações futuras. Instrumentos no Telescópio Espacial James Webb (JWST) e no Telescópio Extremamente Grande (ELT) em construção pelo ESO devem ser capazes de fotografar diretamente pelo menos alguns dos planetas que estão esculpindo esses anéis empoeirados e lacunas.
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.
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, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universidade de Viena), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes) e outros.