Em um estudo publicado hoje no Astrophysical Journal , uma equipe de pesquisadores liderada pelo INAF explorou se as características anômalas nas distribuições de poeira e gás do disco de HD 163296 reveladas pelas observações do ALMA poderiam surgir da interação dos planetas gigantes com planetesimais, um componente do disco anteriormente não contabilizado.

Os discos circunstelares compostos de gás e poeira ao redor de estrelas jovens em formação são o ambiente em que os planetas nascem. Sua poeira fornece o material de construção a partir do qual os planetas começam seu crescimento e, como resultado de sua incorporação em corpos planetários, sua abundância deve diminuir com o tempo. Desde suas primeiras imagens dos anéis concêntricos brilhantes do disco circunstelar em torno de HL Tau, O ALMA tem revolucionado a nossa visão dos discos circunstelares, revelando a presença generalizada de uma série de estruturas de pequena escala (lacunas, anéis e braços espirais) em seu gás e poeira, a maioria deles acreditava estar ligada à presença de planetas jovens e surgir da interação de sua gravidade com o ambiente circundante.

Entre os discos mais bem estudados observados pelo ALMA está aquele em torno do HD 163296, uma estrela de 5 milhões de anos com cerca de duas vezes a massa do sol. O disco do HD 163296 é massivo (um pouco menos de um décimo da massa do Sol) e largo (cerca de 500 UA, duas vezes o limite externo do Cinturão de Kuiper no sistema solar) e foi proposto que abrigasse pelo menos três planetas com massas compreendidas entre o dobro de Urano e a de Júpiter. As observações mais recentes do ALMA permitiram caracterizar espacial e composicionalmente a estrutura do disco do HD 163296 a um nível nunca antes imaginado e mostraram como a poeira ainda é bastante abundante (mais de 300 vezes a massa da Terra) neste disco, apesar de sua idade e produziu pelo menos três planetas gigantes. As mesmas observações também revelaram alguns comportamentos estranhos da distribuição espacial da poeira que não podiam ser facilmente explicados apenas como resultado de sua interação com o gás e os planetas gigantes recém-formados.

Espera-se que a poeira migre para dentro das regiões externas do disco devido ao seu acoplamento e atrito com o gás, mas também deve ser interrompido em sua migração por planetas massivos. Como resultado deste fluxo interno, a poeira deve desaparecer com o tempo da região imediatamente dentro do planeta mais interno do HD 163296. Ao mesmo tempo, poeira proveniente das regiões externas do disco deve se acumular fora das órbitas do segundo e terceiro planetas. As observações do ALMA revelaram, em vez disso, que as regiões dentro do primeiro planeta e entre o primeiro e o segundo planetas têm algumas das maiores concentrações de poeira de todo o disco. Em um estudo publicado hoje no Astrophysical Journal , uma equipe de pesquisadores explorou se essas características anômalas poderiam surgir da interação dos planetas gigantes com um componente do disco até então desconhecido:os planetesimais.

“A partir do estudo do sistema solar, sabemos que discos circunstelares maduros como o HD 163296 não são compostos apenas por gás e poeira, mas também contêm uma população invisível de pequenos objetos planetários semelhantes aos nossos asteróides e cometas ", explica Diego Turrini, autor principal do estudo e pesquisador do Instituto de Astrofísica Espacial e Ciências Planetárias (IAPS) do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF). "Também sabemos que o aparecimento de planetas gigantes afeta esses planetesimais, causando em sua evolução orbital 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 circunstelares, "diz Turrini.

A equipe se perguntou se essas interações entre os jovens planetas gigantes do HD 163296 e os planetesimais invisíveis poderiam produzir as anomalias observadas na distribuição de poeira. As simulações que eles realizaram mostraram como, durante o crescimento dos três planetas gigantes, uma fração cada vez maior da população circundante de planetesimais é injetada em órbitas muito excêntricas e muito inclinadas semelhantes às dos cometas do sistema solar. "O principal resultado dessa excitação dinâmica é uma maior taxa de colisões violentas entre os planetesimais, "explica Francesco Marzari, professor da Universidade de Padova e co-autor do estudo.

Quando eles analisaram o resultado das simulações dinâmicas por meio de um modelo colisional, a equipe descobriu que as colisões entre os planetesimais permanecem bastante suaves até que os planetas gigantes se aproximem de suas massas finais, mas então eles rapidamente crescem cem vezes em violência e começam a destruir os planetesimais. "Essas colisões violentas reabastecem a população de poeira no disco, "diz Marzari" O novo pó produzido por este processo, Contudo, tem uma distribuição orbital diferente da original e está concentrada principalmente em dois lugares:a região orbital dentro do primeiro planeta gigante e o anel entre o primeiro e o segundo planetas gigantes. "As mesmas duas regiões onde as observações do ALMA revelaram as maiores discrepâncias com o que era teoricamente esperado.

A equipe descobriu que a excitação dinâmica causada pelo aparecimento dos três planetas gigantes ainda deveria estar agindo até o momento nos planetesimais embutidos no disco do HD 163296. Os autores também descobriram que a produção colisional de poeira resultante é capaz de injetar dezenas de massas terrestres de poeira nessas duas regiões orbitais, explicando as observações do ALMA também de um ponto de vista quantitativo. “Até agora estudar esse tipo de processo ocorrendo em discos circunstelares só era possível por meio de simulações, "diz Turrini." Graças ao ALMA, podemos agora ser capazes de estudá-lo à medida que acontece e aprender muito sobre a interação entre a formação planetária e o ambiente circundante. "

"A rapidez com que o ALMA está fornecendo dados novos e mais detalhados no HD 163296 nos permitiu expandir nosso estudo além de seu escopo original, "explica Danai Polychroni, coautor do estudo e atualmente professor da Universidad de Atacama e pesquisador adjunto do INAF-IAPS. "Percebemos que muitos planetesimais estão excitados com velocidades supersônicas em relação ao gás circundante do disco e podem criar ondas de choque que podem aquecer planetesimais e gás. Embora ainda não possamos modelar esse processo em detalhes, observações recentes relataram a presença inesperada de gás CO em regiões caracterizadas por temperaturas onde deveria estar sólido congelado e de possíveis anomalias na estrutura térmica do disco. Ambas as descobertas podem, em princípio, ser explicado graças à presença desses planetesimais supersônicos e às ondas de choque que eles criam. "

"Este estudo foi iniciado como um projeto pioneiro para explorar se a excitação dinâmica causada por planetas gigantes recém-formados poderia realmente produzir efeitos observáveis. nós apenas arranhamos a superfície desse processo e suas implicações, "diz Leonardo Testi, também co-autor do estudo e chefe do Centro de Apoio ALMA do Observatório Europeu do Sul e investigador de licença do INAF. "No entanto, sua receita física é bastante simples:planetas massivos se formando em um disco de planetesimais. Dadas as assinaturas generalizadas de possíveis jovens planetas gigantes que estamos descobrindo com o ALMA e a longa duração dos efeitos dinâmicos causados ​​por seu aparecimento, podemos estar olhando para um processo que é bastante comum entre os discos circunstelares. "

“O contexto do trabalho liderado por Diego Turrini é um dos pilares da sinergia GENESIS, "explica Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Pesquisador principal do projeto GENESIS-SKA, financiado pelo INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) é um projeto nacional onde mais de 60 pesquisadores de 8 institutos do INAF trabalham em estreita colaboração com o objetivo geral de investigar as condições favoráveis ​​ao surgimento de sistemas planetários semelhantes ao nosso sistema solar . "

“Os resultados do presente projeto, "adiciona Codella, “será de extrema importância também para o estudo das composições químicas do gás localizado nas regiões onde se formarão os planetas, e, possivelmente, de suas atmosferas. "