JWST examina locais de nascimento de exoplanetas

Astrônomos estão entusiasmados com os primeiros espectros fornecidos pelo JWST de berços planetários mostrando uma química rica e diversificada

Pesquisadores, através do Telescópio Espacial James Webb (JWST), deram uma primeira olhada em seus dados que investigam a química das regiões de discos ao redor de estrelas jovens onde os planetas rochosos se formam. Já nessa fase, os dados revelam que os discos são quimicamente diversos e ricos em moléculas como água, dióxido de carbono e compostos de hidrocarbonetos orgânicos como o benzeno, bem como pequenos grãos de carbono e silicatos. O programa de observação JWST em andamento, liderado pelo MPIA, MINDS, reunindo vários institutos de pesquisa europeus, promete fornecer uma visão revolucionária sobre as condições que precedem o nascimento dos planetas e, ao mesmo tempo, determinam suas composições.

Novas observações de uma amostra de discos de formação de planetas em torno de estrelas jovens obtidas com o Mid-Infrared Instrument (MIRI) a bordo do Telescópio Espacial James Webb (JWST) fornecem uma primeira olhada em como essa poderosa ferramenta aumentará nossa compreensão da formação de planetas terrestres. Astrônomos de 11 países europeus se reuniram no projeto MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey) para investigar as condições nas regiões internas desses discos, onde se espera que planetas rochosos se formem a partir do gás e poeira que eles contêm. Eles dão o próximo passo para decifrar as condições dos discos de formação de planetas, um pré-requisito para identificar os processos que levam a corpos sólidos, como planetas e cometas, que compõem os sistemas planetários.

Os resultados iniciais apresentados em dois artigos demonstram a diversidade de berços de planetas rochosos. Os discos variam de ambientes ricos em compostos portadores de carbono, incluindo moléculas orgânicas tão complexas quanto o benzeno, a aglomerados contendo dióxido de carbono e vestígios de água. Como as impressões digitais, esses produtos químicos produzem marcadores identificáveis ​​de maneira única nos espectros que os astrônomos obtiveram com suas observações. Um espectro é uma exibição de luz semelhante a um arco-íris ou, como neste caso, por exemplo, radiação infravermelha, dividindo-a nas cores das quais é composta.

Thomas Henning, diretor do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha e Investigador Principal (PI) do programa MINDS de Observação de Tempo Garantido (GTO) do JWST, declarou:

Estamos impressionados com a qualidade dos dados produzidos pelo instrumento MIRI. Essa riqueza de linhas espectrais não revela apenas a composição química do material do disco que evolui para os planetas e suas atmosferas. Também nos permite determinar condições físicas como densidades e temperaturas dentro e dentro desses discos de formação de planetas, diretamente onde os planetas crescem.

Thomas Henning

Um disco protoplanetário seco com dois tipos de dióxido de carbono

Sierra Grant, com pós-doutorado no Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) em Garching, Alemanha e principal autora de um artigo analisando um disco em torno de uma jovem estrela de baixa massa, afirmou:

Agora podemos estudar os componentes químicos nesses discos com muito mais precisão. O disco interno quente em torno de GW Lup parece bastante seco. Embora tenhamos detectado claramente moléculas contendo carbono e oxigênio, há muito menos água presente do que o esperado.

Sierra Grant

Uma lacuna em torno da estrela central sem gás explicaria a falta de água.

Se esse buraco se estendesse até entre as linhas de neve de água e dióxido de carbono, isso explicaria por que encontramos tão pouco vapor de água lá.

Sierra Grant

As linhas de neve indicam zonas semelhantes a anéis a distâncias variadas da estrela, onde as temperaturas caem para valores onde certas espécies químicas congelam. A linha de neve da água está mais próxima da estrela do que a do dióxido de carbono.

Portanto, se uma cavidade se estender além da linha de neve da água, o gás fora desse perímetro ainda conterá dióxido de carbono, mas apenas pouca água. Qualquer planeta que se formasse lá seria inicialmente bastante seco. Portanto, pequenos objetos gelados como cometas do sistema planetário externo podem ser a única fonte substancial de água. Por outro lado, se um planeta interagindo com o disco fosse o responsável por tal lacuna, isso sugeriria que o planeta teria acumulado água durante sua formação.

A equipe também detectou pela primeira vez uma versão muito mais rara da molécula de dióxido de carbono em um disco protoplanetário contendo um átomo de carbono ligeiramente mais pesado que o tipo muito mais frequente. Em contraste com o dióxido de carbono “normal” que apenas sonda a superfície mais quente do disco, a radiação do irmão mais pesado pode escapar do disco das camadas mais profundas e frias. A análise resulta em temperaturas de cerca de 200 Kelvin (-75 graus Celsius) perto do plano médio do disco a aproximadamente 500 Kelvin (+225 graus Celsius) em sua superfície.

Química rica em carbono em um disco em torno de uma estrela de massa muito baixa

A vida parece exigir carbono, formando compostos complexos. Enquanto moléculas simples contendo carbono, como monóxido de carbono e dióxido de carbono, permeiam a maioria dos discos de formação de planetas, a rica química de hidrocarbonetos do disco seguinte é bastante incomum.

Benoît Tabone, pesquisador do CNRS no Institut d’Astrophysique Spatiale, Paris-Saclay University, França, o principal autor de outro estudo do MINDS, declarou:

O espectro do disco em torno da estrela de baixa massa J160532 revela gás hidrogênio quente e compostos de hidrogênio-carbono a temperaturas em torno de 230 graus Celsius.

Benoît Tabone

O sinal espectral mais forte provém de moléculas quentes de acetileno, cada uma consistindo em dois átomos de carbono e dois de hidrogênio.

Outros gases igualmente quentes de moléculas orgânicas são o diacetileno e o benzeno, as primeiras detecções em um disco protoplanetário, e provavelmente também o metano. Essas detecções indicam que esse disco contém mais carbono do que oxigênio. Essa mistura na composição química também pode influenciar as atmosferas dos planetas que se formam ali. Em contraste, a água parece quase ausente. Em vez disso, a maior parte da água pode estar presa em seixos gelados do disco externo mais frio, não rastreáveis ​​por essas observações.

Erupções de estrelas jovens produzem sementes para planetas

Além do gás, o material sólido é um constituinte típico dos discos protoplanetários. Grande parte é constituída por grãos de silicato, basicamente areia fina. Eles crescem de nanopartículas para agregados de tamanho mícron estruturados aleatoriamente. Quando aquecidos, podem assumir estruturas cristalinas. Um trabalho publicado por uma equipe liderada por Ágnes Kóspál (MPIA e Konkoly Observatory, Budapeste, Hungria), que não faz parte do programa MINDS, demonstra como tais cristais podem entrar nos seixos rochosos que eventualmente constroem planetas terrestres. Os cientistas encontram esses cristais também em cometas e na crosta terrestre.

A equipe redescobriu cristais detectados anos atrás no disco ao redor da estrela EX Lup em erupção recorrente, apenas se recuperando de uma explosão recente. Forneceu o calor necessário para o processo de cristalização. Após um período de ausência, esses cristais agora reaparecem em seus espectros, embora em temperaturas muito mais baixas, afastando-os da estrela. Essa redescoberta indica que explosões repetidas podem ser essenciais para fornecer alguns dos blocos de construção dos sistemas planetários.

Uma era de ouro da pesquisa astronômica

Esses resultados mostram que a chegada do JWST inaugura uma nova era de ouro na pesquisa astronômica. Já nesse estágio inicial, as descobertas são inovadoras.

Estamos ansiosos pelas outras notícias que o JWST trará. Ao todo, o programa MINDS terá como alvo os recordes de 50 jovens estrelas de baixa massa. Estamos ansiosos para aprender sobre a diversidade que encontraremos.

Thomas Henning

Inga Kamp, colaboradora do MINDS e cientista do Kapteyn Astronomical Institute da Universidade de Groningen, Holanda, acrescentou:

Ao refinar os modelos usados ​​para interpretar os espectros, também melhoraremos os resultados disponíveis. Eventualmente, queremos explorar todas as capacidades do JWST e do MIRI para examinar esses berços planetários.

Inga Kamp

Aprender sobre a formação de planetas em torno de estrelas de massa muito baixa, ou seja, estrelas cerca de cinco a dez vezes menos massivas que o Sol, é particularmente gratificante. Os planetas rochosos são superabundantes em torno daquelas estrelas, com muitos planetas potencialmente habitáveis ​​já detectados. Portanto, o programa MINDS promete esclarecer algumas das principais questões sobre a formação de planetas semelhantes à Terra e talvez o surgimento da vida.

Artigos Científicos

MINDS. The Detection of ¹³CO₂ with JWST-MIRI Indicates Abundant CO₂ in a Protoplanetary Disk

JWST/MIRI Spectroscopy of the Disk of the Young Eruptive Star EX Lup in Quiescence

A rich hydrocarbon chemistry and high C to O ratio in the inner disk around a very low-mass star

Fonte

Max Planck Institute: JWST peeks into the birthplaces of exoplanets

._._.

Grant_2023_ApJL_947_L6-MINDS.-The-detection-of-13CO2-with-JWST-MIRI-indicates-abundant-CO2-in-a-protoplanetary-disk

2304.05954-A-rich-hydrocarbon-chemistry-and-high-C-to-O-ratio-in-the-inner-disk-around-a-very-low-mass-star

Kospal_2023_ApJL_945_L7-JWSTMIRI-Spectroscopy-of-the-Disk-of-the-Young-Eruptive-Star-EX-Lup-in-Quiescence