Para planetas recém-nascidos, os sistemas solares são naturalmente "à prova de bebés"

Um jovem planeta num sistema à prova de bebé: os novos resultados mostram como um limite dentro do disco em torno de jovem estrela parecida com o Sol atua como uma barreira que impede que os planetas mergulhem na estrela.Crédito: Departamento Gráfico do Instituto Max Planck para Astronomia

Simulações numéricas de um grupo de astrónomos liderado por Mario Flock do Instituto Max Planck para Astronomia, mostraram que os sistemas planetários jovens são naturalmente "à prova de bebés": os mecanismos físicos combinam-se para impedir os jovens planetas nas regiões interiores de darem um mergulho fatal para a estrela. Processos similares também permitem que os planetas nasçam perto das estrelas - a partir de detritos presos numa região próxima da estrela. A investigação, publicada na revista Astronomy & Astrophysics, explica descobertas pelo Telescópio Espacial Kepler que mostram um grande número de super-Terras em órbita íntima das suas estrelas, nos limites da região à prova de bebé. 

Quando uma criança nasce, os pais certificam-se que a sua casa é à prova de bebé, estabelecendo barreiras de segurança que mantêm a criança longe de áreas particularmente perigosas. Novas investigações sobre a formação planetária mostram que algo muito semelhante ocorre nos jovens sistemas planetários.

Os planetas formam-se em torno de uma jovem estrela, cercada por um disco de gás e poeira. Dentro deste disco protoplanetário, os grãos de poeira unem-se, ficando cada vez maiores. Após alguns milhões de anos, atingem alguns quilómetros em diâmetro. Neste ponto, a gravidade é forte o suficiente para unir estes objetos e assim formar planetas, objetos redondos, sólidos ou com um núcleo sólido, com diâmetros de alguns milhares de quilómetros ou mais.

Uma curiosa multidão no limite interior

Assim como crianças, os objetos sólidos num sistema planetário tão jovem tendem a mover-se em todas as direções - não apenas em órbita da estrela, mas flutuando para fora e para dentro. Isto pode ser potencialmente fatal para planetas que já se encontrem relativamente próximos da estrela central.

Perto da estrela, encontraremos apenas planetas rochosos, com superfícies sólidas, semelhantes à nossa Terra. Os núcleos planetários só podem capturar e manter quantidades significativas de gás para se transformarem em gigantes gasosos muito mais 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 um planeta deste tipo deverá flutuar continuamente para dentro, mergulhando na estrela numa escala de tempo inferior a um milhão de anos, muito menos do que a vida útil do disco.

Se fosse este o cenário completo, seria surpreendente que o satélite Kepler da NASA, que examinou estrelas parecidas com o Sol (dos tipos espectrais F, G e K), encontrasse algo completamente diferente: inúmeras estrelas têm as chamadas super-Terras em órbita íntima, planetas rochosos mais massivos do que a nossa própria Terra. Particularmente comuns são planetas com períodos de aproximadamente 12 dias, até períodos tão baixos quanto 10 dias. Para o nosso Sol, isso corresponderia a raios orbitais de mais ou menos 0,1 UA, apenas cerca de um-quarto do raio orbital de Mercúrio, o planeta mais próximo do nosso Sol.

Foi este o quebra-cabeças que Mario Flock, líder de grupo do Instituto Max Planck para Astronomia, decidiu resolver juntamente com colegas do JPL, da Universidade de Chicago e da Queen Mary University em Londres. Os investigadores envolvidos são especialistas em simular o ambiente complexo em que os planetas nascem, modelando os fluxos e as interações de gás, poeira, campos magnéticos e planetas nos seus vários estágios percursores. Dianto do aparente paradoxo das super-Terras íntimas vistas pelo Kepler, propuseram-se a simular em detalhe a formação planetária perto de estrelas parecidas com o Sol.

Um Sistema Solar à prova de bebés

Os seus resultados foram inequívocos e sugerem duas possíveis razões por trás da ocorrência comum de planetas em íntima órbita. A primeira é que, pelo menos para planetas rochosos com até 10 vezes a massa da Terra ("super-Terras" ou "mini-Neptunos"), estes sistemas estelares jovens são à prova de bebés.

A barreira de segurança que mantém os planetas jovens fora da zona de perigo funciona da seguinte maneira. Quanto mais perto estivermos da estrela, mais intensa a sua radiação estelar. Dentro do limite chamado frente de sublimação, a temperatura do disco sobe acima dos 1200 K e as partículas de poeira (silicatos) transformam-se em gás. O gás extremamente quente dentro dessa região torna-se muito turbulento. Esta turbulência transporta o gás em direção à estrela a alta velocidade, adelgaçando no processo a região interna do disco.

À medida que uma jovem super-Terra viaja através do gás, é normalmente acompanhada por gás que também gira com o planeta num percurso orbital semelhante a uma ferradura. À medida que o planeta se move para dentro e atinge a frente de sublimação dos silicatos, as partículas de gás que se deslocam do gás mais fino para o gás mais denso fora dos limites dão um pequeno chuto ao planeta. Nesta situação, o gás exercerá uma influência (em termos físicos: um momento) ao planeta viajante e, crucialmente, devido ao salto na densidade, radialmente para fora.

Desta forma, a fronteira serve como uma barreira de segurança, impedindo que os jovens planetas mergulhem na estrela. E a localização do limite para uma estrela tipo-Sol, conforme previsto pela simulação, corresponde ao limite inferior para períodos orbitais descobertos pelo Kepler. Como Mario Flock diz: "porque é que existem tantas super-Terras em órbita próxima, como o Kepler nos mostrou? Porque os jovens sistemas planetários têm uma barreira à prova de bebés integrada!"

Construção planetária na fronteira

Existe uma possibilidade alternativa: ao rastrear o movimento de objetos mais pequenos, com alguns milímetros ou centímetros de tamanho, os cientistas descobriram que estes seixos tendem a acumular-se bem atrás da frente de sublimação dos silicatos. Para que a pressão se equilibre diretamente na fronteira, o gás fino na região de transição precisa de girar mais depressa do que o normal (já que deve haver um equilíbrio entre pressão e força centrífuga). Esta rotação do gás é mais rápida do que a velocidade orbital "Kepleriana" de uma partícula isolada em órbita da estrela por conta própria.

Um seixo que entra nesta região de transição é forçado para este movimento superior à velocidade Kepleriana e é imediatamente ejetado novamente à medida que as forças centrífugas correspondentes o empurram para fora, como uma pequena criança num carrossel. Isto também contribui para a frequência de super-Terras em órbita próxima. As super-Terras formadas não são as únicas com uma barreira de segurança à prova de bebés. O facto de que objetos muito mais pequenos também têm fornece condições ideais para a formação de super-Terras naquele local!

Os resultados não foram uma surpresa completa para os investigadores. De facto, encontraram uma "armadilha" semelhante em modelos de estrelas muito mais massivas ("estrelas Herbig"), embora a uma distância muito maior. Os novos resultados estendem-se para estrelas parecidas com o Sol e acrescentam o mecanismo à prova de bebés para planetas recém-nascidos. Além disso, o novo artigo científico é o primeiro que fornece uma comparação com os dados estatísticos do telescópio espacial Kepler, tendo em cuidada consideração que o Kepler só poderia ver certos tipos de sistema (principalmente aqueles com o plano orbital visto quase de lado).

E o nosso próprio Sistema Solar?

Curiosamente, por estes critérios, o nosso próprio Sistema Solar também poderia ter abrigado um planeta semelhante à Terra mais perto do Sol do que o atual planeta mais interior, Mercúrio. Será o facto de não existir um planeta desse tipo um acaso estatístico, ou será que esse planeta realmente existiu, mas foi expulso do Sistema Solar? Esta é uma pergunta interessante para investigações adicionais. Mario Flock salienta: "O Sistema Solar não só era à prova de bebés, como é possível que o bebé assim protegido tenha 'voado do ninho'!"

Fonte: Astronomia OnLine