ALMA revela a vida dos discos formadores de planetas

Observações de 30 discos mudam nossa compreensão da evolução do gás no berço dos exoplanetas 

Concepção artística de um disco protoplanetário, como os trinta estudados para o levantamento ALMA AGE-PRO. O tempo de vida do gás dentro do disco determina a escala de tempo para o crescimento planetário. Crédito: NSF/AUI/NSF NRAO/S.Dagnello

Uma equipe internacional de astrônomos revelou descobertas inovadoras sobre os discos de gás e poeira que circundam estrelas jovens próximas, usando o poderoso Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Esses resultados, publicados em 12 artigos em uma próxima edição do Astrophysical Journal, fazem parte de um grande programa do ALMA chamado ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks, ou AGE-PRO. O AGE-PRO observou 30 discos protoplanetários ao redor de estrelas semelhantes ao Sol para medir a massa dos discos de gás em diferentes idades. O estudo revelou que os componentes de gás e poeira nesses discos evoluem em ritmos diferentes.

Um disco protoplanetário circunda sua estrela hospedeira por vários milhões de anos, à medida que seu gás e poeira evoluem e se dissipam, definindo o cronograma para a formação de planetas gigantes. A massa e o tamanho iniciais do disco, bem como seu momento angular, têm uma profunda influência no tipo de planeta que ele pode formar (gigantes gasosos, gigantes gelados ou mini-Netunos) e nas trajetórias de migração dos planetas. O tempo de vida do gás dentro do disco determina o cronograma para o crescimento das partículas de poeira até um objeto do tamanho de um asteroide, a formação de um planeta e, finalmente, a migração do planeta de onde ele nasceu.

Observações anteriores do ALMA examinaram a evolução da poeira em discos; o AGE-PRO, pela primeira vez, traça a evolução do gás. "O AGE-PRO fornece as primeiras medições das massas e tamanhos dos discos de gás ao longo da vida útil dos discos formadores de planetas", explicou o pesquisador principal Ke Zhang, da Universidade de Wisconsin-Madison.

A sensibilidade única do ALMA permitiu aos pesquisadores usar linhas moleculares tênues para estudar o gás frio nesses discos. A pesquisa observou 30 discos em diferentes idades, de menos de 1 milhão de anos a mais de 5 milhões de anos, em três regiões de formação estelar: Ophiuchus, Lupus e Upper Scorpius. Usando o ALMA, o AGE-PRO obteve observações de traçadores-chave de massas de gás e poeira em discos abrangendo estágios cruciais de sua evolução, desde sua formação inicial até sua eventual dispersão. Esses dados do ALMA servirão como uma biblioteca abrangente de observações de linhas espectrais para uma grande amostra de discos em diferentes estágios evolutivos.

O monóxido de carbono (CO) é o traçador químico mais utilizado em discos protoplanetários, mas para medir completamente a massa de gás em um disco, traçadores moleculares adicionais são necessários. O AGE-PRO utilizou N2H+ como traçador de gás adicional para melhorar significativamente a precisão das medições. As deteções do ALMA também foram configuradas para receber linhas espectrais serendipitantes, incluindo H2CO, DCN, DCO+, N2D+ e CH3CN. "Este é o primeiro levantamento químico em larga escala desse tipo, visando os 30 discos com uma faixa etária mais ampla para caracterizar as massas de gás", explicou John Carpenter, do Observatório Conjunto ALMA e colíder deste levantamento.

Os resultados do AGE-PRO indicam que, à medida que os discos envelhecem, seu gás e poeira são consumidos em taxas diferentes e sofrem uma "oscilação" na proporção de massa gás-poeira à medida que os discos evoluem. Zhang explica: "A descoberta mais surpreendente é que, embora a maioria dos discos se dissipe após alguns milhões de anos, os que sobrevivem têm mais gás do que o esperado. Isso muda fundamentalmente nossa estimativa da acreção atmosférica de planetas formados posteriormente."

A capacidade do ALMA de detectar linhas moleculares tênues forneceu uma janela para os processos detalhados da evolução do gás em discos. Ao comparar as medições de massas de gás e tamanhos de discos do AGE-PRO com estudos anteriores que mapeiam as mesmas características de partículas de poeira, Zhang e sua equipe estão reunindo as inter-relações entre massa, tamanho, transporte de momento angular e fatores ambientais como a fotoevaporação.

A equipe do AGE-PRO, que divulgou uma dúzia de artigos hoje, enfatizou a natureza cooperativa, internacional e de longo prazo de seu trabalho compartilhado. A co-PI Ilaria Pascucci, da Universidade do Arizona, acrescenta: "A ciência é um esforço colaborativo, impulsionado por pessoas de diferentes países e diferentes origens, cada uma contribuindo com insights únicos para o avanço do conhecimento e da descoberta".

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