PLANETAS GIGANTES E COMETAS "À LUTA" NO DISCO CIRCUM-ESTELAR EM TORNO DE HD 163296 31 de maio de 2019
O disco circum-estelar em torno de HD 163296 e o sistema de divisões e anéis criados pelos seus jovens planetas gigantes, observado recentemente pelo ALMA (Projeto DSHARP).
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello
Num estudo publicado na revista The Astrophysical Journal, uma equipa de investigadores do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), Itália, investigou se as características anómalas nas distribuições de poeira e gás no disco de HD 163296, reveladas pelas observações do ALMA, poderiam surgir das interações dos planetas gigantes com um componente do disco anteriormente não encontrado: planetesimais.
Os discos circum-estelares compostos de gás e poeira que rodeiam as jovens estrelas em formação são o ambiente no qual os planetas nascem. A sua poeira fornece o material de construção a partir do qual os planetas começam o seu crescimento e, como resultado da sua incorporação nos corpos planetários, a sua abundância deve diminuir com o tempo. Desde as suas primeiras imagens de anéis concêntricos brilhantes do disco circum-estelar em torno de HL Tau, o ALMA tem revolucionado a nossa visão dos discos circum-estelares revelando a presença generalizada de um número de estruturas de pequena escala (divisões, anéis e braços espirais) no seu gás e poeira, a maioria das quais pensa-se estar ligada à presença de planetas jovens e surgir da interação da sua gravidade com o ambiente circundante.
Entre os discos mais bem estudados, observados pelo ALMA, está o que rodeia HD 163296, uma estrela com cinco milhões de anos e com cerca de duas vezes a massa do Sol. O disco de HD 163296 é tanto massivo (pouco menos de um-décimo da massa do Sol) quanto largo (cerca de 500 UA, duas vezes o tamanho do limite externo da Cintura de Kuiper no Sistema Solar) e foi proposto abrigar pelo menos três planetas com massas compreendidas entre duas vezes a de Úrano e uma vez a de Júpiter. As observações mais recentes do ALMA permitiram caracterizar espacialmente e composicionalmente a estrutura do disco de HD 163296 para um nível anteriormente nem sonhado e mostrou como a poeira ainda é bastante abundante (mais de 300 vezes a massa da Terra) neste disco apesar da sua idade e de ter produzido pelo menos três planetas gigantes. As mesmas observações também relevaram alguns comportamentos estranhos da distribuição espacial da poeira que não podiam ser facilmente explicados apenas como resultado da sua interação com o gás e os planetas gigantes recém-formados.
Espera-se que a poeira migre para dentro a partir das regiões externas do disco devido ao seu agrupamento e fricção com o gás, mas também se espera que a migração seja interrompida por planetas massivos. Como resultado desse fluxo para o interior, a poeira deveria desaparecer, com o tempo, da região imediatamente para dentro do planeta mais interior de HD 163296. Ao mesmo tempo, a poeira proveniente das regiões externas do disco deve acumular-se fora das órbitas do segundo e do terceiro planeta. As observações do ALMA revelaram, em vez disso, que as regiões para dentro do primeiro planeta e entre o primeiro e o segundo planeta têm algumas das maiores concentrações de poeira de todo o disco. Num estudo publicado na revista The Astrophysical Journal, uma equipa de investigadores explorou se estas características anómalas podem surgir da interação dos planetas gigantes com um componente do disco anteriormente não contabilizado: planetesimais.
"A partir do estudo do Sistema Solar, sabemos que os discos circum-estelares maduros como o de HD 163296 não são compostos apenas por gás e poeira, mas também contêm uma população invisível de pequenos objetos planetários semelhantes aos nossos asteroides e cometas," explica Diego Turrini, autor principal do estudo e investigador do IAPS (Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali) do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica). "Sabemos também que o aparecimento de planetas gigantes afeta estes planetesimais causando, na sua evolução, um breve, mas intenso pico de excitação dinâmica que, embora curto do ponto de vista da longa vida de um sistema planetário, pode ter uma duração comparável à vida dos discos circum-estelares," continua Turrini.
A equipa quis saber se estas interações entre os planetas gigantes jovens de HD 163296 e os planetesimais invisíveis podiam produzir as anomalias observadas na distribuição da poeira. As simulações que realizaram mostraram como, durante o crescimento dos três planetas gigantes, uma fração cada vez maior da população de planetesimais na vizinhança é injetada em órbitas muito excêntricas e muito inclinadas, semelhantes às dos cometas no Sistema Solar. "O principal resultado dessa excitação dinâmica é uma taxa mais alta de colisões violentas entre os planetesimais", explica Francesco Marzari, professor da Universidade de Pádua e coautor do estudo.
Quando analisaram o resultado das simulações dinâmicas através de um modelo colisional, a equipa descobriu que as colisões entre os planetesimais permanecem bastante gentis até que os planetas gigantes se aproximam das suas massas finais, mas que depois crescem drasticamente em violência e começam a "moer" os planetesimais. "Estas colisões violentas reabastecem a população de poeira no disco," salienta Marzari. "A nova poeira produzida por este processo, no entanto, tem uma distribuição orbital diferente da original e concentra-se principalmente em dois lugares: a região orbital dentro do primeiro planeta gigante e no anel entre o primeiro e o segundo planeta." As mesmas duas regiões onde as observações do ALMA revelaram as maiores discrepâncias com o que era teoricamente esperado.
A equipa descobriu que a excitação dinâmica provocada pela formação dos três planetas gigantes ainda deveria estar a agir até ao momento sobre os planetesimais incorporados no disco de HD 163296. Os autores também descobriram que a produção colisional resultante e sustentada de poeira é capaz de injetar dezenas de vezes a massa da Terra, em poeira, nessas duas regiões orbitais, explicando as observações do ALMA também de um ponto de vista quantitativo. "Até agora, o estudo deste tipo de processo enquanto ocorria nos discos circum-estelares só era possível por meio de simulações," comenta Turrini. "Graças ao ALMA, podemos agora estudá-lo e aprender muito sobre a interação entre a formação planetária e o ambiente circundante."
"A rapidez com que o ALMA está a fornecer dados novos e mais detalhados sobre HD 163296 permitiu-nos expandir o nosso estudo para lá do seu objetivo original," explica Danai Polychroni, coautor do estudo e na altura professor na Universidade do Atacama e investigador adjunto do INAF-IAPS. "Percebemos que muitos planetesimais são excitados a velocidades supersónicas em relação ao gás circundante do disco e que podem criar ondas de choque que podem aquecer tanto os próprios planetesimais quanto o gás. Embora ainda não pudéssemos modelar esse processo em detalhe, observações recentes relataram a presença inesperada do gás CO (monóxido de carbono) em regiões caracterizadas por temperaturas onde deveria encontrar-se no estado sólido e por possíveis anomalias na estrutura térmica do disco. Ambos os achados podem, em princípio, ser explicados graças à presença destes planetesimais supersónicos e às ondas de choque que produzem."
"Este estudo começou como um projeto para explorar se a excitação dinâmica provocada por planetas gigantes recém-formados podia realmente produzir efeitos observáveis. Como tal, nós apenas 'arranhámos a superfície' deste processo e das suas implicações," observa Leonardo Testi, também coautor do estudo e chefe do Centro de Apoio ALMA do ESA e investigador do INAF em licença. "No entanto, a sua 'receita' física é bastante simples: planetas massivos que se formam num disco de planetesimais. Dadas as assinaturas generalizadas de possíveis planetas gigantes jovens que estamos a descobrir com o ALMA e dada a longa duração dos efeitos dinâmicos provocados pelo seu aparecimento, podemos estar à procura de um processo que é bastante comum entre os discos circum-estelares."
"O contexto do trabalho liderado por Diego Turrini é um dos pilares da sinergia GENESIS," explica Claudio Codella do INAF (Osservatorio Astrofisico di Arcetri), investigador principal do projeto GENESIS-SKA, financiado pelo INAF. "O GENESIS-SKA é um projeto nacional onde participam mais de 60 investigadores de 8 institutos do INAF e onde trabalham em íntima colaboração com o objetivo geral de investigar as condições favoráveis à formação de sistemas planetários parecidos com o nosso Sistema Solar". "Os resultados do presente projeto," acrescenta Codella, "serão de extrema importância também para o estudo das composições químicas do gás localizado nas regiões onde os planetas se formarão e, possivelmente, das suas atmosferas."
O disco de planetesimais gelados escondidos no disco circum-estelar de HD 163296, visto de cima e de lado. Os jovens planetas gigantes criam rapidamente uma grande população de exocometas que agem como projéteis supersónicos para outros corpos.
Crédito: D. Turrini (INAF-IAPS)
