Os astrônomos catalogaram quase 4, 000 exoplanetas em órbita em torno de estrelas distantes. Embora a descoberta desses mundos recém-descobertos tenha nos ensinado muito, ainda há muito que não sabemos sobre o nascimento de planetas e as receitas cósmicas precisas que geram a grande variedade de corpos planetários que já descobrimos, incluindo os chamados Júpiteres quentes, mundos rochosos maciços, planetas anões gelados, e - espero que algum dia em breve - análogos distantes da Terra.

Para ajudar a responder a essas e outras perguntas intrigantes, uma equipe de astrônomos conduziu a primeira grande escala do ALMA, pesquisa de alta resolução de discos protoplanetários, os cinturões de poeira e gás ao redor de estrelas jovens.

Conhecido como Projeto de Substruturas de Disco em Alta Resolução Angular (DSHARP), este "Grande Programa" do Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) rendeu impressionantes, imagens de alta resolução de 20 discos protoplanetários próximos e dados aos astrônomos novos insights sobre a variedade de recursos que eles contêm e a velocidade com que os planetas podem emergir.

Os resultados desta pesquisa aparecerão em uma edição de foco especial da Cartas de jornal astrofísico .

De acordo com os pesquisadores, a interpretação mais convincente dessas observações é que grandes planetas, provavelmente semelhante em tamanho e composição a Netuno ou Saturno, formulário rapidamente, muito mais rápido do que a teoria atual permitiria. Esses planetas também tendem a se formar nas regiões externas de seus sistemas solares, a distâncias tremendas de suas estrelas hospedeiras.

Essa formação precoce também pode ajudar a explicar como rochoso, Mundos do tamanho da Terra são capazes de evoluir e crescer, sobrevivendo à sua adolescência presumida autodestrutiva.

"O objetivo desta campanha de observação de meses de duração era procurar semelhanças e diferenças estruturais nos discos protoplanetários. A visão notavelmente nítida do ALMA revelou estruturas anteriormente invisíveis e padrões inesperadamente complexos, "disse Sean Andrews, um astrônomo do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e um líder da campanha de observação ALMA, junto com Andrea Isella da Rice University, Laura Pérez, da Universidade do Chile, e Cornelis Dullemond da Universidade de Heidelberg. "Estamos vendo detalhes distintos em torno de uma grande variedade de estrelas jovens de várias massas. A interpretação mais convincente dessas altamente diversas, características de pequena escala é que existem planetas invisíveis interagindo com o material do disco. "

Os principais modelos para a formação de planetas afirmam que os planetas nascem pelo acúmulo gradual de poeira e gás dentro de um disco protoplanetário, começando com grãos de poeira gelada que se aglutinam para formar rochas cada vez maiores, até asteróides, planetesimais, e os planetas emergem. Este processo hierárquico deve levar muitos milhões de anos para se desdobrar, sugerindo que seu impacto nos discos protoplanetários seria mais prevalente nos mais antigos, sistemas mais maduros. Evidências de montagem, Contudo, indica que nem sempre é o caso.

As primeiras observações do ALMA de discos protoplanetários jovens, alguns apenas com cerca de um milhão de anos, revelam estruturas surpreendentemente bem definidas, incluindo anéis e lacunas proeminentes, que parecem ser as marcas registradas dos planetas. Os astrônomos foram inicialmente cautelosos ao atribuir essas características às ações dos planetas, uma vez que outros processos naturais poderiam estar em jogo.

"Foi surpreendente ver possíveis assinaturas de formação de planetas nas primeiras imagens de alta resolução de discos jovens. Era importante descobrir se essas eram anomalias ou se essas assinaturas eram comuns em discos, "disse Jane Huang, aluna de pós-graduação do CfA e integrante da equipe de pesquisa.

Como a amostra inicial de discos que os astrônomos podiam estudar era tão pequena, Contudo, era impossível tirar conclusões abrangentes. Pode ser que os astrônomos estivessem observando sistemas atípicos. Mais observações em uma variedade de discos protoplanetários foram necessárias para determinar as causas mais prováveis ​​dos recursos que eles estavam vendo.

A campanha DSHARP foi projetada para fazer exatamente isso, estudando a distribuição em escala relativamente pequena de partículas de poeira em torno de 20 discos protoplanetários próximos. Essas partículas de poeira brilham naturalmente em luz de comprimento de onda milimétrica, permitindo que o ALMA mapeie com precisão a distribuição de densidade de pequenos, partículas sólidas em torno de estrelas jovens.

Dependendo da distância da estrela da Terra, O ALMA foi capaz de distinguir características tão pequenas quanto algumas unidades astronômicas. (Uma unidade astronômica é a distância média da Terra ao Sol - cerca de 150 milhões de quilômetros, que é uma escala útil para medir distâncias na escala de sistemas estelares). Usando essas observações, os pesquisadores foram capazes de imaginar uma população inteira de discos protoplanetários próximos e estudar suas características em escala AU.

Os pesquisadores descobriram que muitas subestruturas - lacunas concêntricas, anéis estreitos - são comuns a quase todos os discos, enquanto padrões espirais em grande escala e características semelhantes a arco também estão presentes em alguns dos casos. Também, os discos e lacunas estão presentes em uma ampla gama de distâncias de suas estrelas hospedeiras, de alguns AU a mais de 100 AU, que é mais de três vezes a distância de Netuno de nosso sol.

Esses recursos, que poderia ser a impressão de grandes planetas, pode explicar como planetas rochosos do tamanho da Terra são capazes de se formar e crescer. Por décadas, astrônomos ficaram intrigados com um grande obstáculo na teoria da formação de planetas:uma vez que corpos empoeirados crescem até um certo tamanho - cerca de um centímetro de diâmetro - a dinâmica de um disco protoplanetário liso os induz a cair em sua estrela hospedeira, nunca adquirindo a massa necessária para formar planetas como Marte, Vênus, e a Terra.

Os densos anéis de poeira que agora vemos com o ALMA produziriam um refúgio seguro para os mundos rochosos amadurecerem completamente. Suas densidades mais altas e a concentração de partículas de poeira criariam perturbações no disco, formando zonas onde os planetesimais teriam mais tempo para se transformar em planetas totalmente desenvolvidos.

"Quando o ALMA realmente revelou suas capacidades com sua imagem icônica de HL Tau, tivemos que nos perguntar se isso era algo atípico, já que o disco era relativamente grande e jovem, "observou Pérez." Estas últimas observações mostram que, embora marcante, HL Tau está longe de ser incomum e pode realmente representar a evolução normal dos planetas em torno de estrelas jovens. "