ALMA REVELA AMBIENTES [RICOS EM CARBONO E MATÉRIA ORGÂNICA] QUE DÃO ORIGEM A PLANETAS 17 de setembro de 2021
Nesta impressão de artista, os planetas formam-se a partir do gás e da poeira no disco protoplanetário em redor da estrela jovem. O gás é composto por muitas moléculas diferentes, incluindo cianeto de hidrogénio e nitrilos mais complexos - ligados ao desenvolvimento da vida na Terra - e outras substâncias orgânicas e inorgânicas. Dos simples compostos orgânicos aos mais complexos, a sopa de moléculas numa localização particular no disco molda o futuro da formação planetária aí, e determina se ou planeta pode suportar vida como a conhecemos ou não.
Crédito: M. Weiss/Centro para Astrofísica | Harvard & Smithsonian
Uma colaboração internacional de cientistas, usando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), concluiu o mais extenso mapeamento da composição química dos discos protoplanetários em torno de cinco estrelas jovens próximas a alta resolução, produzindo imagens que capturam a composição molecular associada a nascimentos planetários, e um roteiro para estudos futuros da composição das regiões de formação planetária e cometária. O novo estudo desvenda pistas sobre o papel das moléculas na formação do sistema planetário e se esses jovens sistemas de planetas em formação têm tudo o necessário para albergar vida. Os resultados do programa, apropriadamente chamado de MAPS (Molecules with ALMA at Planet-forming Scales), aparecerão numa edição especial de 20 artigos científicos da revista The Astrophysical Journal Supplement Series.
Os planetas formam-se em discos de poeira e gás - também chamados discos protoplanetários - em torno de estrelas jovens. A composição química ou moléculas contidas nestes discos pode ter um impacto sobre os próprios planetas, incluindo como e onde ocorre a formação planetária, a composição química dos planetas e se esses planetas têm a composição orgânica necessária para suportar vida. O MAPS olhou especificamente para os discos protoplanetários em torno das estrelas jovens IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 e MWC 480, onde já tinham sido detetadas evidências de formação planetária em andamento. O projeto levou a várias descobertas empolgantes, incluindo uma ligação entre poeira e subestruturas químicas e a presença de grandes reservatórios de moléculas orgânicas nas regiões internas do disco.
"Com o ALMA, pudemos ver como as moléculas são distribuídas onde os exoplanetas estão atualmente a formar-se," disse Karin Öberg, astrónoma no Centro para Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA) e investigadora principal do MAPS. "Uma das coisas realmente interessantes que vimos é que os discos de formação planetária em torno destas cinco estrelas jovens são fábricas de uma classe especial de moléculas orgânicas, os chamados nitrilos, que estão implicadas nas origens da vida aqui na Terra."
Foram observadas ao longo do projeto, e em detalhes sem precedentes, moléculas orgânicas simples como HCN, C2H e H2CO, graças à sensibilidade e poder de resolução dos recetores de Banda 3 e Banda 6 do ALMA. "Em particular, pudemos observar a quantidade de pequenas moléculas orgânicas nas regiões internas dos discos, onde provavelmente estão a ser formados planetas rochosos," disse Viviana V. Guzmán, astrónoma do Instituto de Astrofísica da Pontifícia Universidade Católica do Chile, autora principal do MAPS VI e coinvestigadora principal do MAPS. "Estamos a descobrir que o nosso próprio Sistema Solar não é particularmente único, e que outros sistemas planetários em redor de outras estrelas têm ingredientes básicos suficientes para formar os blocos de construção da vida."
Os cientistas também observaram moléculas orgânicas mais complexas como HC3N, CH3CN e c-C3H2 - especialmente aquelas que contêm carbono e, portanto, têm maior probabilidade de atuar como matéria-prima de moléculas pré-bióticas maiores. Embora estas moléculas já tenham sido detetadas antes em discos protoplanetários, o MAPS é o primeiro estudo sistemático em vários discos e a alta resolução espacial e sensibilidade, e o primeiro estudo a encontrar as moléculas em escalas pequenas e quantidades tão significativas. "Encontrámos mais moléculas orgânicas grandes do que o esperado, por um fator de 10 ou 100 a mais, localizadas nos discos internos em escalas do Sistema Solar, e a sua química parece semelhante à dos cometas do Sistema Solar," disse John Ilee, astrónomo na Universidade de Leeds e autor principal do MAPS IX. "A presença destas grandes moléculas orgânicas é significativa porque são o ponto de partida entre moléculas simples baseadas em carbono, como o monóxido de carbono, que é encontrado em abundância no espaço, e as moléculas mais complexas necessárias para criar e suportar vida."
No entanto, as moléculas não estão distribuídas uniformemente pelos discos protoplanetários, como evidenciado no MAPS III e IV, que revelaram que, embora as composições gerais pareçam ser semelhantes à do Sistema Solar, a ampliação a alta resolução revela alguma diversidade na composição que poderia resultar em diferenças de planeta para planeta. "O gás molecular nos discos protoplanetários é muitas vezes encontrado em conjuntos de anéis e lacunas distintas," disse Charles Law, astrónomo do CfA e autor principal do MAPS III e IV. "Mas o mesmo disco, observado em diferentes linhas de emissão molecular, parece completamente diferente, com cada disco tendo múltiplas faces moleculares. Isto também significa que planetas em discos diferentes, ou no mesmo disco, mas em locais diferentes, podem formar-se em ambientes químicos radicalmente diferentes". Isto significa que alguns planetas se formam com as ferramentas necessárias para construir e suportar vida, enquanto outros planetas vizinhos não.
Um destes ambientes radicalmente diferentes ocorre no espaço em torno de planetas semelhantes a Júpiter, onde os cientistas descobriram que o gás é pobre em carbono, oxigénio e elementos mais pesados, embora seja rico em hidrocarbonetos, como o metano. "A química observada nos discos protoplanetários deve ser herdada pela formação planetária," disse Arthur Bosman, astrónomo na Universidade de Michigan e autor principal do MAPS VII. "As nossas descobertas sugerem que muitos gigantes gasosos podem formar-se com atmosferas extremamente pobres em oxigénio (ricas em carbono), desafiando as expetativas atuais das composições planetárias."
No geral, o MAPS está a fornecer exatamente isso: um mapa para os cientistas seguirem, ligando os pontos entre o gás e a poeira num disco protoplanetário e os planetas que eventualmente se formam a partir deles para criar um sistema planetário. "A composição de um planeta é um registo da localização no disco em que foi formado", disse Bosman. "Ligar a composição do planeta e a composição do disco permite-nos examinar a história de um planeta e ajuda-nos a entender as forças que o formaram."
Joe Pesce, astrónomo e oficial do programa ALMA da NSF (National Science Foundation), observa, "saber se a vida existe para lá da Terra é uma das questões fundamentais da humanidade. Agora sabemos que os planetas se encontram em todos os lugares, e o próximo passo é determinar se têm as condições necessárias para a vida como a conhecemos (e quão comum essa situação pode ser). O programa MAPS ajudar-nos-á a melhor responder a estas perguntas. A busca do ALMA por precursores da vida, longe da Terra, complementa os estudos realizados em laboratórios e em locais como fontes hidrotermais na Terra."
Öberg acrescentou: "O MAPS é o culminar de décadas de trabalho na química dos discos de formação planetária por cientistas usando o ALMA e seus precursores. Embora o MAPS tenha investigado apenas cinco discos até agora, não tínhamos ideia que quão quimicamente complexos e visualmente impressionantes estes discos realmente eram até agora. O MAPS respondeu pela primeira vez a questões que nem sequer podíamos imaginar perguntar há décadas atrás, e também nos deixou com muitas mais para responder."
Os dados ALMA da jovem estrela HD 163296 mostram a brilhante emissão do cianeto de hidrogénio a azul. O projeto MAPS focou-se no cianeto de hidrogénio e noutras substâncias orgânicas e inorgânicas em discos de formação planetária para obter mais informações sobre as composições dos jovens planetas e como as composições estão relacionadas com o local, no disco protoplanetário, onde os planetas se formam.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/D. Berry (NRAO), K. Öberg et al (MAPS)
