O MIRI Mid-Infrared Disk Survey (MINDS) usa o MIRI do Telescópio Espacial James Webb para estudar a química e as propriedades físicas dos discos em torno de estrelas jovens para compreender a potencial formação de planetas. Descobertas recentes do disco de uma estrela de massa muito baixa revelaram uma composição química única, rica em moléculas à base de carbono, mas deficiente em compostos ricos em oxigénio, sugerindo que tais ambientes poderiam acolher planetas rochosos semelhantes à Terra, mas quimicamente distintos. Crédito: SciTechDaily.com
Telescópio Espacial James Webb descobre uma grande variedade de gases ricos em carbono que servem como ingredientes para futuros planetas em torno de uma estrela de massa muito baixa.
A pesquisa MINDS usando o instrumento MIRI do JWST descobriu ambientes químicos ricos em carbono e pobres em oxigênio em discos em torno de estrelas de massa muito baixa, indicando que esses discos poderiam apoiar a formação de planetas terrestres significativamente diferentes da Terra.
MENTES e Formação Planetária
Os planetas se formam em discos de gás e poeira que orbitam estrelas jovens. Estabelecer uma amostra de disco representativa é um objetivo do MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), liderado por Thomas Henning do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha.
Ao explorar as suas propriedades químicas e físicas com o MIRI (Instrumento de Infravermelho Médio) a bordo do Telescópio Espacial James Webb (JWST), a colaboração liga esses discos às propriedades dos planetas potencialmente formados ali. Num novo estudo, uma equipa de investigadores explorou a vizinhança de uma estrela de massa muito baixa, de 0,11 massas solares (conhecida como ISO-ChaI 147), cujos resultados aparecem na revista. Ciência.
Impressão artística de um disco protoplanetário em torno de uma estrela de massa muito baixa. Representa uma selecção de moléculas de hidrocarbonetos (metano, CH4; etano, C2H6; etileno, C2H2; diacetileno, C4H2; propino, C3H4; benzeno, C6H6) detectadas no disco em torno de ISO-ChaI 147. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/ NRAO)/MPIA
JWST e a exploração de discos formadores de planetas
“Estas observações não são possíveis a partir da Terra porque as emissões de gases relevantes são absorvidas pela sua atmosfera”, explicou o autor principal Aditya Arabhavi, da Universidade de Groningen, na Holanda. “Anteriormente, só conseguíamos identificar a emissão de acetileno (C2H2) deste objeto. No entanto, a maior sensibilidade do JWST e a resolução espectral dos seus instrumentos permitiram-nos detectar emissões fracas de moléculas menos abundantes.”
A colaboração MINDS encontrou gás a temperaturas em torno de 300 Kelvin (cerca de 30 graus Celsius), fortemente enriquecido com moléculas contendo carbono, mas carente de moléculas ricas em oxigênio espécies. “Isto é profundamente diferente da composição que vemos nos discos em torno de estrelas do tipo solar, onde dominam as moléculas portadoras de oxigénio, como a água e o dióxido de carbono”, acrescentou Inga Kamp, membro da equipa, da Universidade de Groningen.
Um exemplo notável de disco rico em oxigénio é o do PDS 70, onde o programa MINDS encontrou recentemente grandes quantidades de vapor de água. Considerando observações anteriores, os astrónomos deduzem que os discos em torno de estrelas de massa muito baixa evoluem de forma diferente daqueles em torno de estrelas mais massivas como o Sol, com potenciais implicações para a descoberta de planetas rochosos com características semelhantes às da Terra. Uma vez que os ambientes em tais discos estabelecem as condições em que novos planetas se formam, qualquer planeta deste tipo pode ser rochoso, mas bastante diferente da Terra em outros aspectos.
Logotipo do Projeto MINDS. Crédito: A colaboração MINDS
Implicações para os planetas terrestres
A quantidade de material e sua distribuição entre esses discos limita o número e os tamanhos dos planetas que o disco pode fornecer com o material necessário. Consequentemente, as observações indicam que planetas rochosos com tamanhos semelhantes aos da Terra se formam de forma mais eficiente do que Júpiter-gigantes gasosos nos discos em torno de estrelas de massa muito baixa, as estrelas mais comuns no Universo. Como resultado, estrelas de massa muito baixa hospedam, de longe, a maioria dos planetas terrestres.
“Muitas atmosferas primárias desses planetas serão provavelmente dominadas por compostos de hidrocarbonetos e não tanto por gases ricos em oxigénio, como a água e o dióxido de carbono”, salientou Thomas Henning. “Mostrámos num estudo anterior que o transporte de gás rico em carbono para a zona onde os planetas terrestres normalmente se formam acontece mais rapidamente e é mais eficiente nesses discos do que nos de estrelas mais massivas.”
Embora pareça claro que os discos em torno de estrelas de massa muito baixa contêm mais carbono do que oxigénio, o mecanismo deste desequilíbrio ainda é desconhecido. A composição do disco é o resultado do enriquecimento de carbono ou da redução de oxigênio. Se o carbono for enriquecido, a causa provavelmente são partículas sólidas no disco, cujo carbono é vaporizado e liberado no componente gasoso do disco. Os grãos de poeira, despojados do seu carbono original, eventualmente formam corpos planetários rochosos. Esses planetas seriam pobres em carbono, assim como a Terra. Ainda assim, a química baseada no carbono provavelmente dominaria pelo menos as suas atmosferas primárias fornecidas pelo gás do disco. Portanto, estrelas de massa muito baixa podem não oferecer os melhores ambientes para encontrar planetas semelhantes à Terra.
Diversidade Química em Discos Protoplanetários
Para identificar os gases do disco, a equipe usou o espectrógrafo do MIRI para decompor a radiação infravermelha recebida do disco em assinaturas de pequenas faixas de comprimento de onda – semelhantes à luz solar sendo dividida em um arco-íris. Dessa forma, a equipe isolou uma grande quantidade de assinaturas individuais atribuídas a várias moléculas.
Como resultado, o disco observado contém a química de hidrocarbonetos mais rica vista até agora num disco protoplanetário, consistindo de 13 moléculas contendo carbono até benzeno (C6H6). Eles incluem a primeira detecção de etano extrassolar (C2H6), o maior hidrocarboneto totalmente saturado detectado fora do Sistema Solar. A equipe também detectou com sucesso etileno (C2H4), propino (C3H4) e o radical metila CH3 pela primeira vez em um disco protoplanetário. Em contraste, os dados não continham indícios de água ou monóxido de carbono no disco.
Direções futuras na pesquisa de química de disco
Em seguida, a equipa científica pretende expandir o seu estudo para uma amostra maior de tais discos em torno de estrelas de massa muito baixa, para desenvolver a sua compreensão de quão comuns são essas regiões exóticas de formação de planetas terrestres, ricas em carbono. “Expandir o nosso estudo também nos permitirá compreender melhor como estas moléculas podem se formar”, explicou Thomas Henning. “Várias características nos dados também ainda não foram identificadas, garantindo espectroscopia adicional para interpretar completamente as nossas observações.”
Referência: “Hidrocarbonetos abundantes no disco em torno de uma estrela de massa muito baixa” 6 de junho de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adi8147
O estudo foi financiado no âmbito do ERC Advanced Grant “Origins – From Planet-Forming Disks to Giant Planets” (Grant ID: 832428, PI: Thomas Henning, DOI: 10.3030/832428).
Os cientistas do MPIA envolvidos neste estudo são Thomas Henning, Matthias Samland, Giulia Perotti, Jeroen Bouwman, Silvia Scheithauer, Riccardo Franceschi, Jürgen Schreiber e Kamber Schwartz.
Outros pesquisadores incluem Aditya Arabhavi (Universidade de Groningen, Holanda (Groningen)), Inga Kamp (Groningen), Ewine van Dishoeck (Universidade de Leiden, Holanda e Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemanha), Valentin Christiaens (Universidade de Liege, Bélgica) e Agnes Perrin (Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL CNRS, Palaiseau, França).
O consórcio MIRI é composto pelos estados membros da ESA, Bélgica, Dinamarca, França, Alemanha, Irlanda, Países Baixos, Espanha, Suécia, Suíça e Reino Unido. As organizações científicas nacionais financiam o trabalho do consórcio – na Alemanha, a Sociedade Max Planck (MPG) e o Centro Aeroespacial Alemão (DLR). As instituições alemãs participantes são o Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, a Universidade de Colônia e a Hensoldt AG em Oberkochen, antiga Carl Zeiss Optronics.
O JWST é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. É um programa internacional liderado por NASA em conjunto com os seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
