Não conseguimos entender o que não conseguimos ver claramente. Esse fato atormenta os cientistas que estudam como os planetas se formam. A formação do planeta acontece dentro de um disco espesso e obscuro de gás e poeira. Mas quando se trata de ver através dessa poeira até onde os planetas nascentes começam a tomar forma, os astrónomos têm uma nova ferramenta poderosa: o Telescópio Espacial James Webb.

Nos últimos anos, temos obtido imagens tentadoras dos discos protoplanetários em torno de estrelas jovens. ALMA, o Matriz grande milimétrica/submilimétrica do Atacama, é responsável por isso. Foram fotografadas muitos destes discos em torno de estrelas jovens, incluindo as lacunas reveladoras onde os planetas estão provavelmente a formar-se.

As imagens de alta resolução obtidas pelo ALMA de discos protoplanetários próximos são o resultado do Projeto de Subestruturas de Disco em Alta Resolução Angular (DSHARP).  Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.;  NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
As imagens de alta resolução obtidas pelo ALMA de discos protoplanetários próximos são o resultado do Projeto de Subestruturas de Disco em Alta Resolução Angular (DSHARP). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

A obtenção de imagens dos discos está agora a tornar-se uma ocorrência regular, mas os astrónomos detectaram apenas dois planetas em formação.

Mas agora os pesquisadores trouxeram o JWST para resolver o problema. Três novos estudos publicados no The Astronomical Journal apresentam os resultados desse esforço. Eles são:

A investigação combina novas observações do JWST com observações anteriores do Hubble e do ALMA. Os astrónomos por trás de cada um dos estudos usaram o JWST para descobrir pistas novas e iniciais sobre o processo de formação dos planetas, incluindo como o processo molda o disco do qual nasceram. Se conseguirem identificar características únicas da formação planetária, poderão então procurar essas características em torno de outros discos.

HL Tau, SAO 206462 e MWC 758 são todos discos protoplanetários que foram observados por outros telescópios. As poderosas capacidades infravermelhas do JWST deverão fornecer novos insights sobre esses discos e seus planetas. Isso porque à medida que os planetas reúnem mais material, eles liberam radiação infravermelha.

“Quando o material cai no planeta, ele choca na superfície e emite uma linha de emissão em comprimentos de onda específicos”, disse o astrônomo Gabriel Cugno, que esteve envolvido nos três artigos. “Usamos um conjunto de filtros de banda estreita para tentar detectar esse acréscimo. Isto já foi feito antes a partir do solo em comprimentos de onda ópticos, mas esta é a primeira vez que é feito no infravermelho com o JWST.”

MWC 758 é uma estrela jovem que abriga um disco protoplanetário espiral.

Esta imagem JWST/NIRCam da MWC 758 mostra o disco espiral incomum da estrela.  Wagner et al.  2024.
Esta imagem JWST/NIRCam da MWC 758 mostra o disco espiral incomum da estrela. Wagner et al. 2024.

Usando simulações matemáticas, os pesquisadores mostraram que um planeta gigante chamado MWS 758c fora das espirais pode produzi-las. Mostraram também que a simetria dos braços pode restringir a massa do planeta. Neste caso, podem determinar um intervalo inferior para a massa do planeta: entre cerca de 4 a 8 massas de Júpiter. Mas eles não encontraram. Também pode haver uma companheira ainda mais massiva mais longe, de acordo com as simulações, mas nenhuma foi detectada.

SAO 206462 é outra estrela jovem rodeada por um disco. Também possui braços espirais claramente definidos, significando a presença de um planeta massivo. Os astrónomos que estudam esta estrela e disco encontraram um planeta, mas não aquele que esperavam.

Esta é uma imagem JWST da estrela SAO 296462 e seu disco espiral.  Crédito da imagem: Cugno et al.  2024.
Esta é uma imagem JWST da estrela SAO 296462 e seu disco espiral. Crédito da imagem: Cugno et al. 2024.

“Várias simulações sugerem que o planeta deveria estar dentro do disco, massivo, grande, quente e brilhante. Mas não encontramos. Isto significa que ou o planeta é muito mais frio do que pensamos, ou pode estar obscurecido por algum material que nos impede de o ver,” disse o autor principal Gabriele Cugno, também co-autor dos outros artigos científicos. “O que descobrimos é um candidato a planeta diferente, mas não podemos dizer com 100% de certeza se é um planeta ou uma ténue estrela ou galáxia de fundo a contaminar a nossa imagem. Observações futuras nos ajudarão a entender exatamente o que estamos vendo.”

Espera-se que gigantes gasosos massivos sejam responsáveis ​​pelas formas espirais. Mas até o JWST luta para encontrá-los. “O problema é que tudo o que estamos tentando detectar é centenas de milhares, senão milhões de vezes mais fraco que a estrela”, disse Cugno. “É como tentar detectar uma pequena lâmpada perto de um farol.”

HL Tau é a terceira estrela e disco examinado pelo JWST e a mais jovem, com menos de 100.000 anos de idade. HL Tau é bem conhecido na astronomia pelas lacunas e anéis reveladores em seu disco, bem como por algumas outras características. Por exemplo, os astrónomos encontraram vapor de água no seu disco mesmo no local onde um planeta suspeito está a formar-se.

Nesta imagem de HL Tau, observações do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mostram vapor de água em tons de azul no mesmo local onde os astrónomos pensavam que um planeta se poderia estar a formar.  Crédito da imagem: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S.  Facchini et al.
Nesta imagem de HL Tau, observações do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mostram vapor de água em tons de azul no mesmo local onde os astrónomos pensavam que um planeta se poderia estar a formar. Crédito da imagem: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Facchini et al.

O JWST encontrou o envelope estelar conhecido, a cavidade de saída e outras características. Mas, infelizmente, nenhum planeta.

Esta imagem do artigo mostra uma imagem ALMA de HL Tau e uma imagem JWST de HL Tau.  O JWST é capaz de ver detalhes que a imagem ALMA não mostra, incluindo uma característica chamada aglomerado em forma de gancho.  Crédito da imagem: Mullin et al.  2024
Esta imagem do artigo mostra uma imagem ALMA de HL Tau e uma imagem JWST de HL Tau. O JWST é capaz de ver detalhes que a imagem ALMA não mostra, incluindo uma característica chamada aglomerado em forma de gancho. Crédito da imagem: Mullin et al. 2024

“HL Tau é o sistema mais jovem do nosso estudo e ainda está rodeado por um denso fluxo de poeira e gás que cai no disco”, disse Mullin, coautor dos três estudos. “Ficámos impressionados com o nível de detalhe com que pudemos ver este material circundante com o JWST, mas, infelizmente, obscurece quaisquer sinais de potenciais planetas.”

Uma das dificuldades do HL Tau é a sua juventude. Quanto mais jovem for uma estrela, mais gás e poeira haverá no disco. Eventualmente, ele é absorvido pelos planetas e o resto é dissipado pelo vento do disco. Mas HL Tau é tão jovem que o disco é muito grosso.

“Embora haja muitas evidências da formação planetária em andamento, HL Tau é muito jovem, com muita poeira intermediária, para ver os planetas diretamente”, disse Jarron Leisenring, investigador principal da campanha de observação em busca de planetas em formação e astrônomo da Universidade. do Observatório Steward do Arizona. “Já começámos a olhar para outros sistemas jovens com planetas conhecidos para ajudar a formar uma imagem mais completa.”

Mas a astronomia é cheia de surpresas, principalmente quando se trabalha com uma ferramenta poderosa como o JWST. Os astrónomos muitas vezes partem para encontrar uma coisa e encontrar outra que não esperavam. Foi o que aconteceu com HL Tau.

Esta imagem de HL Tau de 2016 mostra uma lacuna interna e uma lacuna externa onde planetas podem estar se formando.  Infelizmente, o JWST não foi capaz de detectá-los.  Mas encontrou outros recursos.  Crédito da imagem: Yen et al.  2016.
Esta imagem de HL Tau de 2016 mostra uma lacuna interna e uma lacuna externa onde planetas podem estar se formando. Infelizmente, o JWST não foi capaz de detectá-los. Mas encontrou outros recursos. Crédito da imagem: Yen et al. 2016.

Neste caso, o JWST detectou o envelope estelar de HL Tau, onde o material em queda se acumula em torno da jovem estrela ainda em coalescência. Este material eventualmente se torna parte da estrela, do disco e dos planetas.

Embora os astrónomos responsáveis ​​pelos três artigos esperassem encontrar planetas, isso revelou-se difícil. Mas a sensibilidade do JWST ainda os ajudou a progredir.

“A falta de planetas detectados em todos os três sistemas diz-nos que os planetas que causam as lacunas e os braços espirais estão demasiado próximos das suas estrelas hospedeiras ou são demasiado ténues para serem vistos com o JWST,” disse Wagner, co-autor dos três estudos. . “Se esta última for verdade, diz-nos que têm massa relativamente baixa, baixa temperatura, estão envoltos em poeira ou alguma combinação dos três – como é provavelmente o caso do MWC 758.”

A formação de planetas pode ser a chave para compreender como alguns planetas acabam com água e como outros elementos químicos são distribuídos num sistema solar. Os astrônomos pensam que gigantes gasosos massivos como Júpiter acabam regulando o movimento e o fluxo dos elementos. Mas nem todas as estrelas hospedam planetas tão massivos.

“Apenas cerca de 15% das estrelas como o Sol têm planetas como Júpiter. É realmente importante compreender como se formam e evoluem e refinar as nossas teorias,” disse UM Michael Meyer, astrónomo da Universidade de Michigan e co-autor dos três estudos. “Alguns astrônomos pensam que esses planetas gigantes gasosos regulam o fornecimento de água aos planetas rochosos que se formam nas partes internas dos discos.”

Imagem de Júpiter tirada pela espaçonave Juno da NASA.  Gigantes gasosos massivos como Júpiter podem governar o movimento da água num jovem sistema solar, afetando os planetas que a recebem.  Essa é apenas uma das razões pelas quais os astrónomos querem encontrá-los em torno de estrelas jovens.  (Crédito: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill)
Imagem de Júpiter tirada pela espaçonave Juno da NASA. Gigantes gasosos massivos como Júpiter podem governar o movimento da água num jovem sistema solar, afetando os planetas que a recebem. Essa é apenas uma das razões pelas quais os astrónomos querem encontrá-los em torno de estrelas jovens. (Crédito: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill)

Em cada disco que os astrónomos conseguem observar, encontram lacunas, anéis e, por vezes, espirais e outras estruturas que podem ser explicadas pela formação de planetas gigantes. Mas eles também não podem descartar outras explicações. E é aqui que está a questão, por enquanto.

“Basicamente, em cada disco que observamos com resolução e sensibilidade suficientemente altas, vimos grandes estruturas como lacunas, anéis e, no caso de SAO 206462, espirais”, disse Cugno. “A maioria, senão todas, destas estruturas podem ser explicadas pela formação de planetas interagindo com o material do disco, mas existem outras explicações que não envolvem a presença de planetas gigantes.”

Encontrar estes planetas massivos que se formam em torno de estrelas jovens é o próximo passo. Mesmo que o JWST não os tenha encontrado, ainda assim fez progressos no assunto. É assim que a ciência funciona. Porque se os astrónomos conseguirem eventualmente ver alguns destes planetas, poderão então desvendar as relações entre todas as outras características que o JWST observou com os próprios planetas.

“Se conseguirmos finalmente ver estes planetas, poderemos ligar algumas das estruturas com companheiros em formação e relacionar os processos de formação com as propriedades de outros sistemas em fases muito posteriores”, disse Cugno. “Podemos finalmente ligar os pontos e compreender como os planetas e os sistemas planetários evoluem como um todo.”

Os próximos telescópios podem fazer ainda mais progressos. O Telescópio Extremamente Grande do ESO sondará os primeiros estágios da formação planetária e também detectará água e produtos químicos orgânicos em discos protoplanetários. Sua primeira luz está prevista para 2028.

O Telescópio Gigante de Magalhães também estudará a formação de sistemas planetários com seu espectrógrafo de infravermelho próximo. O GMT verá sua primeira luz na década de 2030.

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Formado em Educação Física, apaixonado por tecnologia, decidi criar o site news space em 2022 para divulgar meu trabalho, tenho como objetivo fornecer informações relevantes e descomplicadas sobre diversos assuntos, incluindo jogos, tecnologia, esportes, educação e muito mais.