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mar 02

Armadilhas espontâneas de poeira: astrônomos descobrem o elo perdido na formação planetária

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Uma diagrama mostra a estrutura de um disco protoplanetário, construída através dos resultados de um novo modelo, após a formação de “armadilhas de poeira” espontâneas, visível como um brilhante anel de poeira. O gás está ilustrado em tons de azul e a poeira em vermelho. Crédito: Jean-François Gonzalez

Os astrônomos planetários julgam que os planetas se formam nos discos protoplanetários de gás e poeira que circundam as estrelas recém-nascidas. No entanto, os astrônomos têm lutado para construir uma teoria completa da sua origem que explicaria como é que a poeira inicial se desenvolve em sistemas planetários. Uma equipa francesa, britânica e australiana agora pensa que chegou na resposta, com suas simulações as quais revelam a formação de “armadilhas de poeira”, onde fragmentos do tamanho de seixos se reúnem e aglomeram, para dar origem aos blocos de construção dos planetas. Os cientistas publicaram os seus resultados na MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

A teoria diz que o nosso Sistema Solar e demais sistemas planetários começaram a partir de discos de gás e grãos de poeira em órbita de uma estrela jovem. Duas fases do processo de formação que (a) convertem esses grãos minúsculos, cada com micrômetros de diâmetro, em agregados com alguns centímetros e (b) realizam o mecanismo para fabricar núcleos planetários a partir de “planetesimais” com dimensões quilométricas, são ambas atualmente bem compreendidas.

Por outro lado, o estágio intermediário, que toma os seixos e os aglomera em objetos com o tamanho de asteroides, é menos entendido. Contudo, com mais de 3,500 exoplanetas já descobertos orbitando outras estrelas, o processo de formação planetária, como um todo, deve ser contínuo e abrangente.

Dr. Jean-François Gonzalez, membro do Centre de Recherche Astrophysique em Lyon, França, liderou um novo estudo.

Jean-François declarou:

Até agora, temos lutado para explicar como é que os seixos se juntam para formar planetas e, mesmo assim, já descobrimos grandes números de planetas em órbita de outras estrelas. Isso nos levou a pensar sobre as maneiras de resolver este mistério.

Há duas barreiras principais que precisam ser superadas para que os seixos se tornem em “planetesimais”. Primeiramente, o arrasto do gás sobre as partículas de poeira no disco eventualmente faz com que se desloquem rapidamente em direção à estrela central, onde são destruídos, não deixando nenhum material para formar planetas. O segundo desafio a superar é o fato dos grãos em crescimento poderem ser destruídos em colisões sob alta velocidade, fragmentando-os em inúmeras peças menores e consequentemente invertendo o processo de agregação.

As únicas regiões, nos discos de formação planetária, onde estas restrições podem ser superadas, são as chamadas de “armadilhas de poeira”. Nestas regiões de alta pressão, o movimento de deriva se reduz, permitindo com que os grãos de poeira se acumulem. Com a sua velocidade reduzida, os grãos também podem escapar da fragmentação quando colidem.

Até antes dessa nova pesquisa, os astrônomos pensavam que as armadilhas de poeira só podiam existir em ambientes muito específicos, mas as simulações de computador executadas pelo time de cientistas indicam que são muito comuns. O seu modelo presta atenção especial na forma como a poeira do disco protoplanetário é arrastada pelo componente gasoso. Na maioria das simulações astronômicas, o gás faz com que a poeira se desloque, no entanto, às vezes, em configurações mais densas, a poeira atua mais fortemente sobre o gás.

Este efeito (conhecido como ‘retrorreação aerodinâmica de arrasto’) é geralmente negligenciável e tem sido até então ignorado nos estudos de grãos em crescimento e fragmentação. Mas os seus efeitos tornam-se importantes em ambientes ricos em poeira, como aqueles encontrados onde os planetas estão se formando.

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Esses diagramas ilustram os estágios do mecanismo de formação das “armadilhas de poeira”. A estrela central aparece em amarelo, envolvida pelo disco protoplanetário, demonstrado em tons de azul. Os grãos de poeira formam a banda orbitando a estrela no disco. No primeiro estágio (acima), os grãos de poeira crescem em tamanho e se deslocam para o interior em direção à estrela central. No segundo painel (meio), os grãos (agora com o tamanho de seixos) se aglomeram para cima e para baixo. No terceiro estágio (abaixo) o gás é empurrado para fora pelo mecanismo de retrorreação, criando regiões onde a poeira se acumula, denominadas ‘armadilhas de poeira’. As armadilhas permitem com que os seixos continuem a se agregar para formar planetesimais e eventualmente corpos planetários. Crédito©: Volker Shurbert / RAS

O efeito de retrorreação retarda a deriva interna dos grãos, o que lhes fornece um tempo para crescer em tamanho. Quando os grãos se tornam suficientemente grandes e massivos o gás perde o poder de governar os seus movimentos. O gás, sob a influência desta reação inversa, é empurrado para fora e forma uma região de alta pressão: a “armadilha de poeira”. Estas armadilhas espontâneas concentram então os grãos oriundos das regiões mais externas do disco, criando um anel muito denso de sólidos e fomentam a formação de planetesimais.

Gonzalez concluiu:

Ficamos muito satisfeitos ao descobrir que, com os ingredientes corretos no lugar, as “armadilhas de poeira” podem se formar espontaneamente em uma ampla faixa de ambientes. Esta é uma solução simples e robusta para um problema de longa data na formação planetária.

Observatórios como a rede de radiotelescópios ALMA, no Chile, já conseguem vislumbrar anéis brilhantes e escuros em sistemas de formação planetária que se pensa serem “armadilhas de poeira”. Gonzalez e a seu time, junto com outros grupos de investigação espalhados pelo mundo, planejam agora tentar aplicar esse modelo de “armadilhas de poeira” no estágio do processo que analisa a formação dos planetesimais.

Fontes

SWINBURNE: Spontaneous ‘dust traps’ – the missing link in how planets form

RAS (Royal Astronomy Society): Spontaneous “dust traps”: astronomers discover a missing link in planet formation

._._.

1701.01115 – Self-induced dust traps – overcoming planet formation barriers

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