Ilustração artística do sistema PDS 70, fora de escala. Os dois planetas estão abrindo uma lacuna no disco circunstelar à medida que se formam. À medida que acumulam material em queda, o calor os faz brilhar. Crédito da imagem:Observatório W. M. Keck/Adam Makarenko O censo de exoplanetas totaliza agora 5.599 descobertas confirmadas em 4.163 sistemas estelares, com outros 10.157 candidatos aguardando confirmação. Até agora, a grande maioria deles foi detectada usando métodos indiretos, incluindo fotometria de trânsito (74,4%) e medições de velocidade radial (19,4%).
Apenas 19 (ou 1,2%) foram detectados via Direct Imaging, um método onde a luz refletida da atmosfera ou superfície de um exoplaneta é usada para detectá-lo e caracterizá-lo. Graças à última geração de instrumentos de alto contraste e alta resolução angular, isto está começando a mudar.
Isso inclui o Telescópio Espacial James Webb e seus espelhos sofisticados e conjunto avançado de imagens infravermelhas. Usando dados obtidos pela Near-Infrared Camera (NIRCam) de Webb, os astrónomos do inquérito MIRI mid-INfrared Disk Survey (MINDS) estudaram recentemente uma estrela variável muito jovem (PDS 70) a cerca de 370 anos-luz de distância com dois protoplanetas confirmados.
Depois de examinar o sistema e o seu extenso disco de detritos, encontraram evidências de um terceiro possível protoplaneta orbitando a estrela. Estas observações poderão ajudar a avançar a nossa compreensão dos sistemas planetários que ainda estão em processo de formação.
A pesquisa MINDS é uma colaboração internacional que consiste em astrônomos e físicos do Instituto Max-Planck de Astronomia (MPIA), do Instituto Astronômico Kapteyn, do Instituto de Pesquisa Espacial da Academia Austríaca de Ciências (OAW-IFW), do Instituto Max-Planck Instituto de Física Extraterrestre (MPE), o Centro de Astrobiologia (CAB), o Instituto Nazionale di Astrofisica (INAF), o Instituto de Estudos Avançados de Dublin (DIAS), o Instituto Holandês de Pesquisa Espacial SRON e várias universidades.
O artigo que descreve suas descobertas será publicado na revista Astronomy &Astrophysics e está atualmente disponível no arXiv servidor de pré-impressão.
PDS 70 tem sido objeto de interesse nos últimos anos devido à sua tenra idade (5,3 a 5,5 milhões de anos) e ao disco protoplanetário circundante. Entre 2018 e 2021, dois planetas protoplanetas foram confirmados dentro das lacunas deste disco com base em dados de imagens diretas adquiridos por sofisticados telescópios terrestres. Isto incluiu os instrumentos Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) e GRAVITY montados no Very Large Telescope (VLT) do ESO e no Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
Esta imagem espetacular obtida pelo instrumento SPHERE montado no Very Large Telescope do ESO é a primeira imagem nítida de um planeta captado no ato de formação em torno da estrela anã PDS 70. Crédito:ESO/A. Muller et al.
Nos últimos anos, a equipe do MINDS usou dados espectrais do Webb para realizar inventários químicos em discos protoplanetários em múltiplos sistemas estelares. Num estudo anterior baseado em dados do Mid-Infrared Instrument (MIRI) de Webb, a equipe do MINDS detectou água no disco interno do PDS 70, localizado a cerca de 160 milhões de km (100 milhões de mi) ou 1.069 UA da estrela, uma descoberta que poderia ter implicações para a astrobiologia e as origens da água em planetas rochosos (como a Terra). Estes resultados mostraram as capacidades impressionantes do Webb e como ele pode observar o cosmos em comprimentos de onda infravermelhos (IR) inacessíveis aos observatórios terrestres.
Valentin Christiaens, pesquisador de pós-doutorado do F.R.S-FNRS na Universidade de Liège e KU Leuven, foi o autor principal deste último artigo. “A vantagem dos instrumentos de Webb é que eles observam em comprimentos de onda infravermelhos que não podem ser observados do solo por causa da nossa atmosfera, que absorve a maior parte do espectro infravermelho”, disse ele ao Universe Today por e-mail. "Graças ao Webb podemos obter medições de planetas em formação (chamados protoplanetas) em infravermelho, o que nos permite restringir melhor os nossos modelos de formação planetária."
Para o seu estudo mais recente, a equipe MINDS examinou o PDS 70 usando dados do NIRCam de Webb como parte do programa MIRI Guaranteed Time Observations sobre a formação de planetas. Christiaens e a sua equipa ficaram motivados a estudar mais o PDS 70 porque pesquisas anteriores indicaram a possível detecção de um terceiro protoplaneta. Isto torna o sistema um laboratório ideal para estudar as interações planeta-disco e procurar assinaturas de acréscimo. A presença de um possível terceiro sinal foi detectada em 2019 por uma equipa que utilizou o instrumento VLT/SPHERE, mas não foi confirmada desde então.
Uma possível interpretação para este sinal é que ele rastreia um terceiro planeta. Usando dados do NIRCam, Christiaens e seus colegas procuraram redetectar este sinal e confirmar que se tratava de um terceiro planeta no sistema. O JWST é especialmente adequado para esta tarefa, graças à sua óptica avançada e ao coronógrafo, que remove a interferência das imagens de Webb, bloqueando a luz da estrela. Ele e os seus colegas também foram auxiliados por algoritmos avançados que ajudam a separar a luz estelar de outras fontes pontuais em órbita (como exoplanetas) e discos de detritos. Como Christiaens explicou:
Esta ilustração artística mostra um disco protoplanetário compacto e outro estendido. Crédito:NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
"A observação de outra estrela, chamada estrela de referência, pode ser usada para subtrair a luz da estrela de interesse e procurar exoplanetas lá. Em nosso estudo, optamos por uma técnica chamada 'roll subtraction', onde duas sequências de são tiradas imagens da estrela de interesse antes e depois da rotação do instrumento, respectivamente, de modo que a posição de um exoplaneta tenha girado nas duas sequências de imagens. A partir daí, subtraindo as imagens de uma sequência das da outra, e. vice-versa, podemos efetivamente nos livrar da luz da estrela e fazer imagens de seu ambiente – planetas e disco”.
A equipa combinou então as suas medições com observações anteriores feitas com instrumentos terrestres e comparou-as com modelos de formação planetária. A partir disto, puderam deduzir a quantidade de gás e poeira acumulada em torno do protoplaneta durante o período de observação. A qualidade das imagens também permitiu destacar um braço espiral de gás e poeira que abastece o segundo candidato confirmado (PDS 70 c), conforme previsto pelos modelos. Por último, detectaram um sinal brilhante consistente com um candidato a protoplaneta envolto em poeira.
"O que torna este candidato tão interessante é que ele poderia estar em ressonância 1:2:4 com os planetas b e c, já confirmados no sistema (ou seja, seu período orbital será quase exatamente duas e quatro vezes menor que o de b). e c, respectivamente)", disse Christiaens. Isto é precisamente o que acontece com três das luas galileanas de Júpiter (Ganimedes, Europa e Io), que também estão em ressonância 1:2:4. A possibilidade de um sistema estelar com três planetas nesta relação orbital seria uma mina de ouro para os astrônomos. “No entanto, são necessárias mais observações antes que esta ressonância possa ser confirmada”, acrescentou Christiaens.
Além de demonstrar as capacidades de Webb, estas descobertas podem ajudar a informar a nossa compreensão atual de como os sistemas planetários se formam e evoluem. Este é um dos principais objetivos do JWST:utilizar a sua óptica infravermelha avançada para sondar sistemas estelares jovens onde os planetas ainda estão em processo de formação. Esta tem sido uma grande prioridade para os astrónomos desde que o Kepler começou a detectar exoplanetas que desafiavam as teorias amplamente aceites sobre como os sistemas planetários se formam e evoluem. Em particular, a detecção de muitos gigantes gasosos orbitando próximos aos seus sóis ("Júpiteres quentes") contradiz as teorias de que os gigantes gasosos se formam nos confins dos sistemas estelares.
A sequência evolutiva de discos protoplanetários com subestruturas, do rastreio ALMA CAMPOS. Estas grandes variedades de estruturas de discos planetários são possíveis locais de formação para protoplanetas jovens. Crédito:Hsieh et al. em preparação.
Ao observar sistemas estelares jovens em diferentes estágios de formação, os astrônomos esperam testar várias teorias sobre como o sistema solar surgiu.
Como resumiu Christiaens:"Acredita-se que a migração de planetas desempenha um papel crucial na evolução dos sistemas planetários e ajuda a explicar a diversidade de sistemas encontrados até o momento por meio de métodos indiretos. Em muitos sistemas maduros, descobriu-se que os planetas ressoam uns com os outros , sugerindo que esta migração ocorreu de facto no passado. No nosso caso, observamos um sistema muito jovem, ainda em formação, onde os dois planetas gigantes conhecidos parecem estar em ressonância e onde o terceiro planeta potencial, se confirmado, estaria. O mesmo acontecerá com os outros dois. No caso do sistema solar, suspeitamos que a migração e a captura de ressonância dos planetas gigantes provavelmente também ocorreram há muito tempo, [o que poderia] explicar a sua configuração atual (hipótese Great Tack). . Aqui estamos potencialmente observando-o ao vivo em outro sistema!"
