De acordo com a Teoria da Nebulosa, estrelas e seus sistemas de planetas se formam quando uma nuvem massiva de gás e poeira (uma nebulosa) sofre colapso gravitacional no centro, formando uma nova estrela. O material restante da nebulosa então forma um disco ao redor da estrela do qual planetas, luas e outros corpos eventualmente se agregarão (um disco protoplanetário). Foi assim que a Terra e os muitos corpos que compõem o Sistema Solar se uniram há cerca de 4,5 bilhões de anos, eventualmente se estabelecendo em suas órbitas atuais (após algumas migrações e colisões).
No entanto, ainda há debate sobre certos detalhes do processo de formação do planeta. Por um lado, há aqueles que subscrevem o modelo tradicional “bottom-up”, onde grãos de poeira gradualmente se acumulam em conglomerados cada vez maiores ao longo de dezenas de milhões de anos. Por outro lado, você tem o modelo “top-down”, onde o material do disco circumestelar em braços espirais se fragmenta devido à instabilidade gravitacional. Usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), uma equipe internacional de astrônomos encontraram evidências do modelo “de cima para baixo” ao observar um disco protoplanetário a mais de 500 anos-luz de distância.
A equipe foi liderada por Jessica Speedie, uma candidata a doutorado em astronomia e astrofísica na Universidade de Victoria. Ela foi acompanhada por colegas da Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica (KIAA-PKU), o Centro de Física Simulacional (CSP-UGA), o Instituto de Astronomia de Cambridgeo Centro de Pesquisa Astrofísica de Lyon (CNSA-CRAL), o Instituto de Astronomia e Astrofísica (ASIAA), o Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (MIT EAPS), o Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), o Observatório Europeu do Sul (ESO) e diversas universidades e observatórios.
O artigo que detalha sua pesquisa, “Instabilidade gravitacional em um disco de formação de planetas”, foi publicado recentemente na revista Natureza.
Localizado no deserto do Atacama, nos Andes chilenos, o ALMA é o maior radiotelescópio do mundo dedicado a estudar as partes do Universo que são de outra forma invisíveis aos astrônomos. Isso inclui nuvens de poeira fria no espaço, discos protoplanetários e algumas das primeiras galáxias do Universo, que são visíveis apenas em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos. Usando o ALMA, Speedie e seus colegas observaram o disco protoplanetário bem caracterizado ao redor AB Aurigaeum sistema estelar jovem (4 milhões de anos) localizado a cerca de 530 anos-luz da Terra.
A estrela é uma estrela tipo A pré-sequência principal (azul-branca) com aproximadamente 2,5 vezes o tamanho do nosso Sol e cerca de 2,4 vezes mais massiva. A partir de 2017, cientistas do ALMA começaram a observar o disco protoplanetário da estrela para aprender mais sobre a formação de planetas em sistemas estelares jovens. Desde então, astrônomos observaram vários protoplanetas em desenvolvimento se formando no disco de AB Aurigae, bem como um gigante gasoso nove vezes a massa de Júpiter que foi confirmado em 2022. Eles aparecem como aglomerados dentro dos braços espirais do disco protoplanetário, girando no sentido anti-horário ao redor da estrela.
A detecção desses corpos ao redor de uma estrela tão jovem levantou dúvidas sobre o processo “de baixo para cima”. De acordo com esse modelo, esses protoplanetas não tiveram tempo suficiente para se tornarem tão grandes quanto se tornaram. Junto com seu orientador de doutorado Ruobing Dong, Speedie e sua equipe estavam determinados a estudar como o gás nos vastos braços espirais do sistema está se movendo. A sensibilidade e a resolução de alta velocidade do ALMA foram cruciais para essa tarefa e permitiram que a equipe sondasse o gás profundamente dentro do disco e medisse seu movimento com precisão.
A Dra. Cassandra Hall, professora assistente de astrofísica computacional na Universidade da Geórgia, também foi coautora da pesquisa. Quatro anos atrás, Hall liderou um estudo em que ela e seus colegas (que incluíam Dong e outros membros da equipe de Speedie) simularam como um disco gravitacionalmente instável se comportaria. Como ela indicou em um NRAO Comunicado de imprensa:
“Discos que são gravitacionalmente instáveis devem ter ‘oscilações’ distintas em seu campo de velocidade, diferentemente de discos que são estáveis. Em 2020, realizamos algumas das simulações mais avançadas do mundo para prever a existência dessa assinatura marcante de instabilidade gravitacional. Era claro, era testável e era um pouco assustador — se não a encontrássemos, então algo tinha que estar muito, muito errado com nossa compreensão desses discos.”
Braços espirais se formam em um disco protoplanetário quando a razão de massa disco-estrela é suficientemente alta. Com o tempo, mudanças na densidade levam a mudanças na gravidade, o que causa variações nas velocidades do gás dentro e ao redor dos braços espirais. Essas variações na velocidade são vistas como “oscilações”, e a magnitude pode ser usada para inferir a razão de massa entre a estrela hospedeira e o material em seu disco. Usando o conjunto de antenas de rádio do ALMA, Speedie e sua equipe mapearam a velocidade dos isótopos de monóxido de carbono dentro dos braços espirais do disco e procuraram por indicações das “oscilações” previstas.
Essas medições produziram um “cubo de dados” retangular tridimensional que mapeou a velocidade e a posição do gás dentro do disco protoplanetário ao longo da linha de visão do observatório. Como é costumeiro com as medições de interferometria do ALMA, os dados foram analisados em “fatias” (ou cortes estrategicamente orientados), permitindo que Speedie e sua equipe identificassem conclusivamente a oscilação da velocidade indicando instabilidade gravitacional. Isso constitui a primeira confirmação observacional direta de que o caminho “de cima para baixo” para a formação de planetas está correto.
Além disso, indica que sistemas planetários podem se formar muito mais rápido do que se pensava anteriormente, o que pode ter implicações significativas para a astrogeologia e a pesquisa de exoplanetas. Como Speedie explicou, o trabalho de Hall, a sensibilidade do ALMA e os produtos de dados de qualidade que ele criou para eles foram o que tornou essa descoberta possível:
“Esta é uma história científica clássica de, ‘nós previmos, e então encontramos’. A marca registrada da instabilidade gravitacional. Trabalhamos com uma das observações mais profundas do ALMA tiradas com resolução de alta velocidade em direção a um único disco protoplanetário até o momento. Os dados do ALMA fornecem um diagnóstico claro da instabilidade gravitacional em ação. Não há outro mecanismo que conheçamos que possa criar a arquitetura global de estrutura espiral e padrões de velocidade que observamos.”
Num futuro próximo, Speedie e seus colegas planejam continuar usando o ALMA para aprender mais sobre como os sistemas planetários se formam ao redor de estrelas jovens. Como parte do NFS/NRAO ALMA ambassador programSpeedie está treinando junto com outros estudantes de pós-doutorado e astrônomos em início de carreira para compartilhar os recursos e capacidades do ALMA com a comunidade astronômica mais ampla.
