Simulações numéricas por um grupo de astrônomos, liderado por Mario Flock do Instituto Max Planck de Astronomia, mostraram que os sistemas planetários jovens são naturalmente "à prova de bebês":mecanismos físicos se combinam para impedir que os planetas jovens nas regiões internas dêem um mergulho fatal na estrela. Processos semelhantes também permitem que os planetas nasçam perto das estrelas - de seixos presos em uma região próxima à estrela. A pesquisa, que foi publicado no jornal Astronomia e Astrofísica , explica as descobertas dos telescópios espaciais Kepler que mostram um grande número de super-Terras orbitando suas estrelas muito de perto, na borda da região à prova de bebê.

Quando uma criança nasce, os pais se certificarão de que sua casa seja à prova de bebês, criação de barreiras de segurança que mantenham a criança afastada de áreas particularmente perigosas. Novas pesquisas sobre a formação de planetas mostram que algo muito semelhante acontece em sistemas planetários jovens.

Planetas se formam em torno de uma jovem estrela, que está rodeado por um disco de gás e poeira. Dentro deste disco protoplanetário, grãos de poeira grudam, crescendo cada vez mais. Depois de alguns milhões de anos, eles atingiram alguns quilômetros de diâmetro. Nesse ponto, a gravidade é forte o suficiente para puxar esses objetos juntos para formar planetas, objetos redondos, sólido ou com um núcleo sólido, com diâmetros de alguns milhares de quilômetros ou mais.

Uma curiosa aglomeração na fronteira interna

Assim como crianças, objetos sólidos em um sistema planetário tão jovem tendem a se mover em todas as direções - não apenas orbitando ao redor da estrela, mas vagando para dentro ou para fora. Isso pode se tornar potencialmente fatal para planetas que já estão relativamente próximos da estrela central.

Perto da estrela, vamos encontrar apenas planetas rochosos, com superfícies sólidas, semelhante à nossa Terra. Os núcleos planetários só podem capturar e manter quantidades significativas de gás para se tornarem gigantes gasosos muito mais longe, longe da estrela quente. Mas o tipo mais simples de cálculo para o movimento de um planeta perto da estrela, no gás de um disco protoplanetário, mostra que tal planeta deve continuamente derivar para dentro, mergulhando na estrela em uma escala de tempo de menos de um milhão de anos, muito mais curto do que a vida útil do disco.

Se esta fosse a imagem completa, seria intrigante que o satélite Kepler da NASA, examinando estrelas semelhantes ao sol (tipos espectrais F, G e K), descobriram algo completamente diferente:numerosas estrelas têm orbitando muito próximas as chamadas super-Terras, planetas rochosos que são mais massivos do que nossa própria Terra. Particularmente comuns são planetas com períodos em torno de 12 dias, indo para períodos tão baixos quanto 10 dias. Para o nosso sol, que corresponderia a raios orbitais em torno de 0,1 unidades astronômicas, apenas cerca de um quarto do raio orbital de Mercúrio, o planeta mais próximo de nosso sol em nosso próprio sistema solar.

Esse foi o quebra-cabeça que Mario Flock, um líder de grupo no Instituto Max Planck de Astronomia, decidido a resolver, junto com colegas do Laboratório de Propulsão a Jato, a University of Chicago e a Queen Mary University, Londres. Os pesquisadores envolvidos são especialistas em simular o ambiente complexo em que nascem os planetas, modelar os fluxos e interações do gás, pó, Campos magnéticos, e de planetas e seus vários estágios precursores. Diante do aparente paradoxo das super-Terras Kepler em órbita próxima, eles se propuseram a simular em detalhes a formação de planetas próximos a estrelas semelhantes ao sol.

Proteção para bebês em escala de sistema solar

Seus resultados foram inequívocos, e sugerem duas possíveis razões por trás da ocorrência comum de planetas em órbita próxima. O primeiro é isso, pelo menos para planetas rochosos com massas de até 10 vezes a massa da Terra ("super-Terras" ou "Mini-Neptunes"), esses primeiros sistemas estelares são à prova de bebês.

A barreira de segurança que mantém os jovens planetas fora da zona de perigo funciona da seguinte maneira. Quanto mais perto chegamos da estrela, mais intensa é a radiação da estrela. Limite interno chamado de frente de sublimação de silicato, a temperatura do disco sobe acima de 1200 K, e as partículas de poeira (silicatos) se transformarão em gás. O gás extremamente quente dentro daquela região torna-se muito turbulento. Essa turbulência transporta o gás em direção à estrela em alta velocidade, afinando a região interna do disco no processo.

Enquanto uma jovem super-Terra viaja através do gás, normalmente é acompanhado por gás co-girando com o planeta em um caminho orbital semelhante a uma ferradura. À medida que o planeta se move para dentro e atinge a frente de sublimação de silicato, as partículas de gás movendo-se do gás mais fino e quente para o gás mais denso fora da fronteira dão ao planeta um pequeno impulso. Nesta situação, o gás vai exercer uma influência (em termos físicos:um torque) no planeta que viaja, e crucialmente, devido ao salto na densidade, essa influência afastará o planeta da fronteira, radialmente para fora. Desta maneira, o limite serve como uma barreira de segurança, evitando que os jovens planetas mergulhem na estrela. E a localização do limite para uma estrela parecida com o sol, conforme previsto pela simulação, corresponde ao limite inferior para períodos orbitais encontrado pelo Kepler. Como diz Mario Flock:"Por que existem tantas super-Terras em órbita próxima, como o Kepler nos mostrou? Porque os sistemas planetários jovens têm uma barreira embutida à prova de bebês. "

Construção de planetas na fronteira

Existe uma possibilidade alternativa:ao traçar o movimento do tipo seixo, objetos menores com alguns milímetros ou centímetros de tamanho, os pesquisadores descobriram que essas pedras tendem a se acumular logo atrás da frente de sublimação de silicato. Para que a pressão se equilibre diretamente na fronteira, o gás fino na região de transição precisa girar mais rápido do que o normal (uma vez que deve haver um equilíbrio entre a pressão e a força centrífuga). A rotação do gás é mais rápida do que a velocidade orbital "Kepleriana" de uma partícula isolada orbitando a estrela por conta própria. Uma pedra que entra nesta região de transição é forçada a este movimento mais rápido do que o Kepler, e imediatamente ejetado novamente conforme as forças centrífugas correspondentes o empurram para fora, como uma criança escorregando da plataforma de um carrossel. Esse, também contribui para a frequência de super-Terras em órbita próxima. Não apenas as super-Terras previamente formadas se agrupam em uma barreira à prova de bebês. O fato de que os seixos se acumulam nessa barreira também fornece as condições ideais para a nova formação da super-Terra naquele local.

Os resultados não foram uma surpresa completa para os pesquisadores. Na verdade, eles encontraram uma armadilha de seixos semelhante em modelos de estrelas muito mais pesadas ("estrelas de Herbig"), embora a uma distância muito maior da estrela. Os novos resultados estendem isso a estrelas semelhantes ao sol, e eles adicionam o mecanismo à prova de bebês para planetas recém-nascidos. Além disso, o novo artigo é o primeiro que fornece uma comparação com dados estatísticos do telescópio espacial Kepler, levando em consideração que o Kepler só será capaz de ver certos tipos de sistemas (notadamente onde vemos o plano orbital quase na lateral).

E quanto ao nosso próprio sistema solar?

Interessantemente, por estes critérios, nosso próprio sistema solar também poderia ter abrigado um planeta semelhante à Terra mais perto do sol do que o planeta mais interno atual, Mercúrio. O fato de não existir tal planeta é um acaso estatístico, ou tal planeta existia e foi ejetado do sistema solar em algum momento? Essa é uma questão interessante para pesquisas adicionais. Como diz Mario Flock:"Não apenas que nosso sistema solar fosse à prova de bebês - é possível que o bebê assim protegido tenha 'voado para o ninho' desde então."