Galeria de discos de detritos do SPHERE: indícios reveladores de poeira e pequenos corpos em sistemas solares distantes
As observações realizadas com o instrumento SPHERE, no Very Large Telescope do ESO, produziram uma galeria inédita de “discos de detritos” em sistemas exoplanetários. Gaël Chauvin (Instituto Max Planck de Astronomia), cientista do projeto SPHERE e coautor do artigo que apresenta os resultados, afirma: “Este conjunto de dados é um tesouro astronômico. Ele fornece percepções excepcionais sobre as propriedades dos discos de detritos e permite deduzir a existência de corpos menores, como asteroides e cometas nesses sistemas, algo impossível de observar diretamente.”
Em nosso próprio Sistema Solar, quando olhamos além do Sol, dos planetas e de planetas anões como Plutão, encontramos uma variedade impressionante de corpos menores. Um ponto de grande interesse são os corpos pequenos maiores, com diâmetros entre cerca de um quilômetro e algumas centenas de quilômetros. Chamamos esses objetos de cometas quando exibem (pelo menos ocasionalmente) perda de gás e poeira que forma estruturas visíveis características, como uma cauda; e de asteroides quando isso não ocorre. Corpos pequenos oferecem um vislumbre da história mais primitiva do Sistema Solar: na evolução de grãos de poeira até planetas completos, os pequenos corpos chamados planetesimais representam uma fase de transição — e os asteroides e cometas são remanescentes dessa etapa, planetesimais que não conseguiram evoluir para planetas maiores. Ou seja, corpos pequenos são vestígios (um pouco) modificados do material que deu origem a planetas como a Terra!
Corpos pequenos ao redor de estrelas além do Sol?
Até agora, os astrônomos já detectaram mais de 6.000 exoplanetas — isto é, planetas que orbitam estrelas diferentes do Sol —, o que nos dá uma noção muito melhor da diversidade de planetas existentes e da posição do nosso Sistema Solar dentro dessa vasta população. Contudo, obter imagens reais desses planetas é um desafio considerável. No momento, existem menos de 100 exoplanetas que os astrônomos conseguiram registrar em imagens, e mesmo planetas gigantes aparecem apenas como pequenos borrões sem detalhes. “Encontrar qualquer pista direta sobre corpos pequenos em um sistema planetário distante a partir de imagens parece absolutamente impossível. E os outros métodos indiretos usados para detectar exoplanetas também não ajudam”, afirma o Dr. Julien Milli, astrônomo da Universidade Grenoble Alpes e coautor do estudo.
A solução, ironicamente, vem de algo ainda menor — várias ordens de grandeza menor. Em especial em sistemas planetários jovens, planetesimais colidem regularmente — às vezes se juntando para formar corpos maiores, às vezes se separando. Essas colisões geram enormes quantidades de poeira nova e, como se descobriu, essa poeira pode ser observada a grandes distâncias quando se dispõe dos instrumentos adequados: sempre que você divide um objeto em componentes menores, o volume total continua o mesmo, mas a área de superfície total aumenta. Divida um asteroide de um quilômetro de diâmetro em grãos de poeira de um micrômetro (= um milionésimo de metro), e a área superficial total aumenta em um fator de um bilhão! Em grande parte, é por isso que é possível observar discos de detritos ao redor de estrelas jovens pelo reflexo da luz estelar. Observe a poeira e você poderá obter informações sobre os corpos pequenos do sistema planetário.
Observando discos de detritos
Com o passar do tempo, um disco de detritos como esse vai enfraquecendo. As colisões se tornam menos frequentes. A poeira é expulsa do sistema pela pressão da radiação, capturada por planetesimais ou planetas, ou acaba na estrela central. Nosso próprio Sistema Solar oferece um exemplo do que resta após bilhões de anos: nesse caso, existem dois cinturões de planetesimais ainda remanescentes — o cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter, e um reservatório de cometas além das órbitas dos planetas gigantes, conhecido como Cinturão de Kuiper. Há também poeira na principal região orbital do nosso Sistema Solar, chamada de poeira zodiacal. Sob um céu muito escuro, é possível ver a luz refletida por essa poeira a olho nu, logo após o pôr do sol ou pouco antes do amanhecer — o chamado “luz zodiacal”.
Essa configuração seria difícil de detectar para astrônomos alienígenas estudando nosso Sistema Solar de longe. Mas, como mostra o estudo atual, com os melhores telescópios e instrumentos disponíveis, em sistemas relativamente próximos, essa poeira deve ser observável durante cerca dos primeiros 50 milhões de anos da vida de um disco de detritos. O que não significa que tais observações não sejam um grande desafio técnico! Observar um disco de detritos é como tentar fotografar uma nuvem de fumaça de cigarro ao lado de um holofote de estádio — e você está fazendo a foto a vários quilômetros de distância. É aqui que a instrumentação adequada faz toda a diferença, e é onde o instrumento SPHERE, que começou a operar em um dos Very Large Telescopes (VLT) do ESO na primavera de 2014, se destaca.
Bloqueando a luz estelar
No coração do SPHERE está um conceito muito simples. No dia a dia, se queremos olhar algo e o Sol de fundo atrapalha, colocamos a mão para bloquear a luz. Quando o SPHERE observa um exoplaneta ou um disco de detritos, ele usa um coronógrafo para bloquear a luz da estrela — essencialmente, um pequeno disco inserido no caminho óptico que remove a maior parte da luz estelar antes que a imagem seja capturada. A questão é que, a menos que a imagem seja extremamente precisa e estável, essa solução simples não funciona na prática!
Para atender a esses requisitos rigorosos, o SPHERE utiliza uma versão extrema de óptica adaptativa, na qual as inevitáveis perturbações causadas pela luz ao atravessar a atmosfera terrestre são analisadas e compensadas em grande parte, em tempo real, através do uso de um espelho deformável. Outra parte opcional do SPHERE filtra luz com propriedades específicas (“luz polarizada”), características de luz refletida por partículas de poeira — em contraste com a luz estelar — preparando o terreno para imagens de discos de detritos especialmente sensíveis.
Uma galeria sem precedentes de imagens de discos de detritos
A nova publicação apresenta uma coleção inédita de imagens de discos de detritos, produzidas com o SPHERE a partir da luz estelar refletida por minúsculas partículas de poeira nesses sistemas. “Para obter essa coleção, processamos dados de observações de 161 estrelas jovens próximas, cuja emissão infravermelha indica fortemente a presença de um disco de detritos”, diz Natalia Engler (ETH Zurich), autora principal do estudo. “As imagens resultantes mostram 51 discos de detritos com uma variedade de propriedades — alguns menores, outros maiores, alguns vistos de lado, outros quase de frente — e uma diversidade considerável de estruturas. Quatro desses discos nunca haviam sido registrados em imagens antes.”
Comparações dentro de uma amostra maior são cruciais para descobrir padrões sistemáticos por trás das propriedades dos objetos. Nesse caso, uma análise dos 51 discos de detritos e suas estrelas confirmou diversas tendências: quando uma estrela jovem é mais massiva, seu disco de detritos também tende a ter mais massa. O mesmo vale para discos em que a maior parte do material está localizada a uma distância maior da estrela central.
Encontrando cinturões de asteroides e cinturões de Kuiper em outros sistemas
Possivelmente, o aspecto mais interessante dos discos de detritos observados pelo SPHERE são as estruturas dentro deles. Em muitas das imagens, os discos exibem estruturas concêntricas em forma de anéis ou faixas, com material concentrado em distâncias específicas da estrela central. A distribuição de corpos pequenos no nosso próprio Sistema Solar apresenta um padrão semelhante, com corpos concentrados no cinturão de asteroides e no Cinturão de Kuiper.
Todas essas estruturas de cinturões parecem estar associadas à presença de planetas — especificamente planetas gigantes — que “limpam” suas vizinhanças de corpos menores. Alguns desses planetas gigantes já haviam sido observados anteriormente. Em algumas das imagens do SPHERE, características como bordas internas abruptas ou assimetrias no disco oferecem pistas instigantes de planetas ainda não detectados. Dessa forma, a coleção de discos obtida pelo SPHERE define alvos promissores para futuras observações: o JWST e o Extremely Large Telescope (ELT), atualmente em construção pelo ESO, devem permitir aos astrônomos obter imagens dos planetas responsáveis por essas estruturas.
Informações adicionais: Os resultados descritos aqui foram publicados por Natalia Engler et al., “Characterization of debris disks observed with SPHERE,” no periódico Astronomy and Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202554953
Os pesquisadores do MPIA envolvidos são Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland e Markus Feldt, em colaboração com Natalia Engler (ETH Zürich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universidade de Viena), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes) e outros.
