Nos primórdios do nosso Sistema Solar, um objeto do tamanho de Marte, chamado Theia, colidiu com a Terra ainda em formação, vaporizando enormes quantidades de rocha e lançando-as para o espaço. Parte desse material coalesceu, dando origem à Lua. Os astrónomos utilizaram agora o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA para examinar uma classe de sistemas estelares jovens que apresentam sinais de perturbações semelhantes, fornecendo pistas acerca da quantidade de energia envolvida nessas colisões. Os resultados fornecem mais informações sobre a composição e a evolução destes sistemas caóticos.

O ambiente em torno de uma estrela muda à medida que esta envelhece, começando por um disco protoplanetário juvenil, rico em gás, onde os planetas em formação podem residir, e terminando num disco de detritos pobre em gás. Durante a sua missão, o Telescópio Espacial Spitzer da NASA, agora aposentado, examinou a fase do disco de detritos com ainda mais pormenor, descobrindo uma subclasse denominada "discos extremos de detritos". Estes sistemas albergam quantidades invulgarmente grandes de poeira quente perto da estrela, numa região comparável àquela onde os planetas rochosos orbitam no nosso Sistema Solar. Uma equipa de astrónomos liderada por Kate Su, do SSI (Space Science Institute) em Boulder, no estado norte-americano do Colorado, investigou estes objetos intrigantes com o Webb.

As descobertas da equipa foram publicadas na revista The Astrophysical Journal.

Contrariamente às previsões teóricas, que sugerem que deveríamos ver muitos discos extremos de detritos, as observações indicam que estes ambientes são raros. Os cientistas estimam que, com base nos dados recolhidos até agora, apenas cerca de 1% das estrelas jovens apresentam sinais observáveis desta fase, incluindo, possivelmente, o nosso próprio Sistema Solar durante a sua formação. Apesar da sua raridade, a equipa conseguiu compilar uma amostra de 21 discos extremos de detritos, incluindo cinco provenientes dos dados de arquivo do Spitzer e 16 do Webb, com 12 discos recém-observados e observações de acompanhamento em quatro dos discos do Spitzer.

"Esta é a primeira vez que reunimos sistemas suficientes para compreender verdadeiramente esta subclasse a que chamamos discos extremos de detritos", afirmou Su, autora principal do artigo científico. "Antes do Webb, tínhamos informações limitadas. Sabíamos que eram estranhos e muito diferentes dos típicos discos de detritos frios que conhecemos, como o de Vega e o de Fomalhaut. Agora que dispomos de mais dados, podemos determinar o que estes discos representam para a formação e evolução planetária".

A equipa confirmou que os discos extremos de detritos partilham três propriedades fundamentais: grãos de poeira mais pequenos do que os encontrados nos discos protoplanetários ou nos discos clássicos de detritos, uma elevada concentração de poeira quente e variações irregulares de brilho, todas reveladas pelos espetros no infravermelho médio obtidos pelo Webb e pelo Spitzer.

Para identificar o fator determinante destas características, a equipa estudou a composição mineralógica dos discos. Descobriram que a sua amostra podia ser classificada em discos ricos em sílica e discos pobres em sílica. O vidro vulcânico, como a obsidiana, é um exemplo de material rico em sílica encontrado na Terra, enquanto o mineral forsterite, pobre em sílica, apresenta-se sob a forma de grãos de areia verdes. A classificação de um disco extremo de detritos fornece informações sobre o tipo de colisões que produzem os detritos de impacto e pode ajudar a explicar a sua variabilidade no brilho infravermelho.

Uma equipa de investigadores compilou a maior amostra de discos extremos de detritos até à data, graças aos dados dos telescópios espaciais James Webb (NASA/ESA/CSA) e Spitzer (NASA). Estes jovens sistemas estelares constituem uma subclasse de discos de detritos, que se segue à fase juvenil do disco protoplanetário. Interessada na composição mineralógica destes jovens sistemas estelares, a equipa separou a sua amostra em discos ricos em sílica e pobres em sílica. Com base nessa categorização, conseguiram inferir o tipo de colisões que estão a contribuir para a criação destes ambientes caóticos e empoeirados. Da sua amostra, oito são discos ricos em sílica (pontos pretos), o que sugere que são produzidos por impactos altamente energéticos entre corpos do tamanho de Marte, nos quais uma quantidade substancial do material é vaporizada. Treze discos enquadram-se na categoria de discos pobres em sílica (pontos roxos), indicando que as colisões no interior destes discos são de natureza menos intensa e ocorrem entre objetos do tamanho da Lua. A equipa também registou a idade correspondente da estrela de cada disco e identificou uma tendência interessante: os discos ricos em sílica da sua amostra encontram-se apenas em torno de estrelas com menos de 300 milhões de anos. As estrelas com discos pobres em sílica abrangem uma ampla gama de idades. A distribuição dos discos pobres em sílica é, em linhas gerais, consistente com a hipótese do Intenso Bombardeamento Tardio para o nosso Sistema Solar, que propõe que os planetas gigantes gasosos migraram distâncias significativas e perturbaram gravitacionalmente as órbitas de corpos mais pequenos. Devido aos seus movimentos, ocorreram colisões catastróficas que geraram as fases de curta duração e ricas em poeira observadas nos discos extremos de detritos. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

"O simples facto de observar a sua emissão no infravermelho médio e as suas belas características espetrais com o Webb, o que nos permitiu identificar as suas composições, foi o mais emocionante para mim", afirmou Agnes Kospal, do Observatório Konkoly, em Budapeste, Hungria, e coautora do estudo. "Não temos outra forma de estudar diretamente estes embriões planetários, porque são demasiado pequenos".

Da sua amostra, cerca de um-terço é rico em sílica, o que sugere que estes discos são produzidos por impactos altamente energéticos entre corpos do tamanho de Marte, nos quais uma parte significativa do material é vaporizada. Os restantes dois-terços da amostra são pobres em sílica, indicando que as colisões ocorrem em escalas menores, como colisões rasantes, entre objetos do tamanho da Lua. Os discos ricos em sílica só são encontrados em torno de estrelas com menos de 300 milhões de anos, enquanto os discos pobres em sílica persistem numa ampla gama de idades e apresentam frequentemente uma maior variabilidade de brilho. A equipa propõe que esta variabilidade seja impulsionada pela rápida evolução orbital e colisional dos detritos recentes produzidos por múltiplos impactos.

As suas descobertas podem ser aplicadas ao nosso próprio Sistema Solar, que poderá ter passado por mais do que uma fase de discos extremos de detritos.

"A forma como os planetas rochosos se formaram e os planetas gigantes evoluíram faz parte da história mais ampla da formação do Sistema Solar - é tudo uma só história", afirmou Su. "O nosso trabalho sobre discos extremos de detritos ajuda-nos a reunir o panorama geral do que atualmente compreendemos.

As simulações sugerem que os planetas terrestres, como a Terra, devem ser formados nas primeiras centenas de milhões de anos de um sistema solar. Este período coincide com as idades dos discos extremos de detritos ricos em sílica observados até agora e está em consonância com a estimativa de que a Terra e a Lua se formaram cerca de 100 milhões de anos após a formação do Sol, sendo a Lua provavelmente o resultado de uma colisão entre a Terra e um objeto do tamanho de Marte.

Quanto à questão de saber se o nosso Sol passou por uma fase de disco extremo pobre em sílica, se os discos mais antigos pobres em sílica e os seus intervalos aleatórios de brilho no infravermelho refletirem, de facto, instabilidade orbital, tal seria, em linhas gerais, consistente com a hipótese do Intenso Bombardeamento Tardio para o nosso Sistema Solar. Nesse cenário, os planetas gigantes gasosos migraram distâncias significativas, perturbando gravitacionalmente as órbitas de corpos mais pequenos e desencadeando colisões catastróficas que geraram as fases de curta duração e ricas em poeira observadas nos discos extremos de detritos.

"Claro, há muitas coisas que ainda não sabemos sobre estes discos", afirmou Attila Moor, do Observatório Konkoly, coautor do estudo. "Não esperamos encontrar sistemas ricos em sílica entre os discos de detritos extremos mais antigos. Temos apenas três discos na nossa amostra que se enquadram nesses critérios de idade, pelo que seria bom observar mais destes sistemas para confirmar a nossa hipótese".

// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

Quer saber mais?

Disco extremo de detritos:
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Disco de detritos:
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Formação e evolução do Sistema Solar:
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Intenso bombardeamento tardio:
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