Uma das questões mais prementes da astronomia contemporânea diz respeito à formação planetária. Podemos ver mais profundamente do que nunca sistemas solares muito jovens, onde os planetas estão a tomar forma nos discos em torno de estrelas jovens. Mas a nossa visão ainda está obscurecida por todo o gás e poeira nestes sistemas jovens.
A imagem da formação planetária ficou ainda mais nebulosa com a descoberta de que alguns planetas jovens têm a forma de doces achatados em vez de esferas.
Existem duas teorias principais para a formação de planetas, e ambas começam com estrelas.
As estrelas nascem em gigantescas nuvens moleculares de hidrogênio. Devido à variabilidade natural nessas nuvens, formam-se núcleos densos de material. À medida que esses núcleos reúnem mais e mais material, eles eventualmente formam uma protoestrela. As protoestrelas ainda não começaram a fusão e estão rodeadas por gás e poeira da sua nuvem-mãe. Esse reservatório de gás e poeira é chamado de nebulosa solar.
À medida que a protoestrela começa a girar, a nebulosa solar começa a se achatar em um disco giratório. É chamado de disco protoplanetário e é aqui que os planetas se formam de acordo com dois processos teorizados.
Um desses processos é o teoria de acréscimo central. Na acreção do núcleo, os planetesimais se formam no disco e, eventualmente, um número suficiente deles se combina por meio de colisões para formar um núcleo rochoso. O núcleo rochoso continua a agregar mais material do disco através de colisões. Uma vez que o núcleo tenha massa suficiente, ele pode atrair uma atmosfera. A acreção central explica como planetas rochosos como a Terra se formam como esferas.
Mas, a teoria do acréscimo central tem limitações. Não é possível explicar como os gigantes gasosos se formam porque o acréscimo do núcleo levaria uma eternidade para manifestar um planeta como Júpiter. Também não consegue explicar bem as luas.
Em vez disso, o fragmentação de disco ou a teoria da instabilidade do disco explica como os gigantes gasosos podem se formar em órbitas mais amplas do que os planetas terrestres. Devido às instabilidades no disco protoplanetário, aglomerados massivos do tamanho de um planeta formam-se rapidamente no disco e a sua gravidade atrai mais material para eles. Com o tempo, planetas como Júpiter e Saturno se formam.
“Esta teoria é atraente devido ao facto de grandes planetas poderem formar-se muito rapidamente a grandes distâncias da sua estrela hospedeira, explicando algumas observações de exoplanetas,” disse Fenton.
“Ficamos muito surpresos ao descobrir que eram esferóides achatados, muito semelhantes aos smarties.”
Coautor da pesquisa Dimitris Stamatellos, Universidade de Central Lancashire
Uma nova carta de investigação a ser publicada na revista Astronomy and Astrophysics apresenta evidências de que os planetas jovens que se formam a partir da instabilidade do disco não são esféricos. Em vez disso, eles são esferóides achatados em forma de Smarties achatadosMT. A carta de pesquisa é intitulada “A estrutura 3D dos protoplanetas com instabilidade de disco”, e os autores são Adam Fenton e Dimitris Stamatellos. Fenton e Stamatellos são ambos do Instituto Jeremiah Horrocks de Matemática, Física e Astronomia da Universidade de Central Lancashire.
“Muitos exoplanetas, que são planetas que orbitam estrelas noutros sistemas solares fora do nosso, foram descobertos nas últimas três décadas”, disse Fenton num comunicado de imprensa que acompanha a investigação. “Apesar de observarmos muitos milhares deles, a forma como se formam permanece inexplicada.”
Explicar como os planetas se formam observando-os é extremamente difícil. Os planetas jovens estão envoltos em gás e poeira no disco. Nesta pesquisa, a dupla utilizou um supercomputador para realizar simulações avançadas de planetas de órbita ampla que se formam através do processo de instabilidade do disco.
Os investigadores concentraram-se nas formas que os planetas jovens assumem e como podem transformar-se em gigantes massivos como Júpiter. Em suas simulações, eles variaram coisas como temperatura do disco e densidade do gás.
“Foi um projeto computacional extremamente exigente que exigiu meio milhão de horas de CPU no DiRAC High-Performance Computing Facility do Reino Unido”, disse Fenton. “Mas os resultados foram surpreendentes e valeram o esforço.”
O resultado mais surpreendente das simulações é que os planetas que se formam devido à instabilidade do disco assumem a forma de Smarties, esferóides achatados.
“Há muito tempo que estudamos a formação de planetas, mas nunca antes tínhamos pensado em verificar a forma dos planetas à medida que se formam nas simulações,” disse o co-autor Dimitris Stamatellos. “Sempre presumimos que eles eram esféricos.”
“Ficamos muito surpresos ao descobrir que eram esferóides achatados, muito semelhantes aos smarties.”
No geral, os resultados da simulação mostraram que a estrutura 3D dos exoplanetas que se formam através da instabilidade é moldada pelo seu ambiente no disco. As interações com os braços espirais de uma galáxia e até mesmo eventos de fusão anteriores podem contribuir para a forma, especialmente nas regiões externas dos exoplanetas. Mas a maioria eram esferóides achatados, de qualquer maneira. “A grande maioria dos protoplanetas que se formam nas simulações são esferóides achatados, em vez de esféricos, e agregam-se mais rapidamente a partir dos seus pólos”, explicam os investigadores.
Quando se trata de observar diretamente os exoplanetas à medida que se formam, temos de esperar um pouco. Os próximos telescópios, como o Telescópio Gigante de Magalhães e o Telescópio Europeu Extremamente Grande (E-ELT), nos aproximarão da visão detalhada dos exoplanetas. O E-ELT é considerado capaz de observar grandes exoplanetas individuais. A primeira luz destes telescópios está a vários anos de distância.
Essas simulações mostram que o ângulo de visão pode ser fundamental. Visto de cima, estes planetas aparecem como esferas, mas de lado, a sua natureza achatada torna-se clara. Do ângulo errado, é possível interpretar mal o processo de formação planetária.
“Espera-se que a estrutura 3D dos protoplanetas com instabilidade de disco afete as suas propriedades observadas e deve ser tida em conta na interpretação de observações de protoplanetas incorporados nos seus discos pais”, escrevem os autores.
