O Telescópio Espacial James Webb (JWST) está ajudando os cientistas a descobrir como os planetas se formam, avançando na compreensão de seus locais de nascimento e dos discos circunstelares que cercam estrelas jovens.



Em um artigo publicado no The Astronomical Journal , uma equipe de cientistas, liderada por Naman Bajaj da Universidade do Arizona e incluindo a Dra. Uma Gorti do Instituto SETI, imagens pela primeira vez dos ventos de um antigo disco de formação de planetas (ainda muito jovem em relação ao Sol) que é dispersando ativamente seu conteúdo de gás. O disco já foi fotografado antes, mas os ventos dos discos antigos não. Saber quando o gás se dispersa é importante, pois restringe o tempo que resta para os planetas nascentes consumirem o gás dos seus arredores.

No centro desta descoberta está a observação de TCha, uma estrela jovem (em relação ao Sol) envolvida por um disco em erosão notável pela sua vasta lacuna de poeira, com aproximadamente 30 unidades astronómicas de raio. Pela primeira vez, os astrónomos obtiveram imagens do gás disperso (também conhecido como ventos) utilizando as quatro linhas dos gases nobres néon (Ne) e árgon (Ar), uma das quais é a primeira deteção num disco de formação planetária. As imagens de [Ne II] mostram que o vento vem de uma região extensa do disco.

A equipe, todos membros de um programa JWST liderado por Ilaria Pascucci (Universidade do Arizona), também está interessada em saber como esse processo ocorre para que possam entender melhor a história e o impacto em nosso sistema solar.

“Esses ventos podem ser impulsionados por fótons estelares de alta energia (a luz da estrela) ou pelo campo magnético que tece o disco de formação planetária”, disse Bajaj.

Gorti, do Instituto SETI, vem conduzindo pesquisas sobre dispersão de disco há décadas e, com seu colega, previu a forte emissão de argônio que o JWST detectou agora. Ela está “animada por finalmente poder desembaraçar as condições físicas do vento para entender como eles são lançados”.

Sistemas planetários como o nosso sistema solar parecem conter mais objetos rochosos do que ricos em gás. Em torno do nosso Sol, estes incluem os planetas internos, o cinturão de asteróides e o cinturão de Kuiper. Mas os cientistas sabem há muito tempo que os discos formadores de planetas começam com 100 vezes mais massa de gás do que de sólidos, o que leva a uma questão premente:quando e como é que a maior parte do gás sai do disco/sistema?

Durante as fases iniciais da formação do sistema planetário, os planetas coalescem num disco giratório de gás e pequena poeira em torno da jovem estrela. Essas partículas se aglomeram, formando pedaços cada vez maiores, chamados planetesimais. Com o tempo, esses planetesimais colidem e se unem, formando eventualmente planetas. O tipo, tamanho e localização dos planetas que se formam dependem da quantidade de material disponível e de quanto tempo permanece no disco. Portanto, o resultado da formação planetária depende da evolução e dispersão do disco.

O mesmo grupo, em outro artigo liderado pelo Dr. Andrew Sellek do Observatório de Leiden, realizou simulações da dispersão impulsionada por fótons estelares para diferenciar entre os dois. Eles comparam estas simulações com as observações reais e descobrem que a dispersão por fotões estelares de alta energia pode explicar as observações e, portanto, não pode ser excluída como uma possibilidade.

Sellek descreveu como “a medição simultânea de todas as quatro linhas pelo JWST provou ser crucial para determinar as propriedades do vento e nos ajudou a demonstrar que quantidades significativas de gás estão sendo dispersas”.

Para contextualizar, os pesquisadores calculam que a dispersão de massa a cada ano é equivalente à da Lua. Um artigo complementar, atualmente em revisão pelo The Astronomical Journal , detalhará esses resultados.

A linha [Ne II] foi descoberta pela primeira vez em vários discos de formação de planetas em 2007 com o Telescópio Espacial Spitzer e logo foi identificada como um rastreador de ventos pelo líder do projeto, Prof. Pascucci, da Universidade do Arizona; isso transformou os esforços de pesquisa focados na compreensão da dispersão de gás no disco. A descoberta de [Ne II] espacialmente resolvido e a primeira detecção de [Ar III] usando o JWST podem se tornar o próximo passo para transformar nossa compreensão deste processo.

"Utilizámos o néon pela primeira vez para estudar discos de formação planetária há mais de uma década, testando as nossas simulações computacionais com dados do Spitzer e novas observações que obtivemos com o VLT do ESO," disse o Professor Richard Alexander da Escola de Física da Universidade de Leicester e Astronomia. Aprendemos muito, mas essas observações não nos permitiram medir quanta massa os discos estavam perdendo. Os novos dados do JWST são espetaculares e ser capaz de resolver ventos de disco em imagens é algo que nunca pensei que seria possível. Com mais observações como esta ainda por vir, o JWST permitir-nos-á compreender sistemas planetários jovens como nunca antes."

Além disso, o grupo também descobriu que o disco interno de T Cha está evoluindo em escalas de tempo muito curtas, de décadas; eles descobrem que o espectro JWST de T Cha difere do espectro anterior do Spitzer. De acordo com Chengyan Xie, da Universidade do Arizona, principal autor deste trabalho em andamento, essa incompatibilidade pode ser explicada por um disco interno pequeno e assimétrico que perdeu parte de sua massa em apenas 17 anos. Junto com outros estudos, isso também sugere que o disco de T Cha está no final de sua evolução.

Xie acrescenta:“Poderemos testemunhar a dispersão de toda a massa de poeira no disco interno de T Cha durante a nossa vida”.

As implicações destas descobertas oferecem novos insights sobre as complexas interações que levam à dispersão do gás e da poeira essenciais para a formação do planeta. Ao compreender os mecanismos por trás da dispersão do disco, os cientistas podem prever melhor os cronogramas e os ambientes que conduzem ao nascimento dos planetas. O trabalho da equipe demonstra o poder do JWST e abre um novo caminho na exploração da dinâmica da formação planetária e da evolução dos discos circunstelares.

Os dados utilizados neste trabalho foram adquiridos com o instrumento JWST/MIRI através do programa General Observers Cycle 1 PID 2260 (PI:I. Pascucci). A equipe de pesquisa inclui Naman Bajaj (aluno de pós-graduação), Prof. Ilaria Pascucci, Dr. Uma Gorti, Prof. estudante), Dra. Giulia Ballabio e Dingshan Deng (aluno de pós-graduação).

Mais informações: Naman S. Bajaj et al, JWST MIRI MRS Observations of T Cha:Discovery of a Spatally Resolved Disk Wind, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad22e1
Fornecido pelo Instituto SETI