Planetas de um "jovem sistema solar": uma mudança inesperada pode mudar seus destinos

Telecópio James Webb não encontrou o gás neon ionizado no disco protoplanetário da estrela SZ Chamaeleontis, anteriormente observado pelo Spitzer. Isto implica um tempo mais curto para a formação do planeta gasoso.

O que é notável nesta descoberta não é o desaparecimento do gás neon ionizado do disco protoplanetário da estrela SZ Chamaeleontis, mas sim a rapidez com que ele desapareceu: menos de 15 anos, o que é muito pouco tempo para isso, e por outro lado muito grande para a formação de exoplanetas gasosos no disco desta estrela.

O neon é um elemento presente na natureza em estado gasoso. Tal como outros elementos naturais mais pesados que o hidrogênio, também se formou no interior das estrelas e é normal que esteja presente em estrelas recém-nascidas e nos seus discos.

Como veremos, o desaparecimento do gás neon ionizado revela, indiretamente, que o disco protoplanetário desta estrela desaparecerá muito antes do que o previsto, ou seja, cerca de um milhão de anos antes do esperado.

Isto significa que os exoplanetas gasosos da SZ Chamaeleontis terão quantidades suficientes de gás e poeira disponíveis para se formarem em menos tempo.

Quem é 'SZ Chamaeleontis'

A imagem da capa desse texto representa artisticamente o disco de poeira e gás que envolve, e esconde parcialmente, a estrela SZ Chamaeleontis (chamada de SZ Cha).

É uma estrela muito jovem, com apenas alguns milhões de anos, na constelação Chamaeleon. Podemos imaginar que o nosso Sol também tivesse na mesma idade um disco semelhante, no qual se formaram posteriormente os planetas que hoje compõem o Sistema Solar.

SZ Cha é o mesmo tipo de estrela jovem que o nosso Sol era há 4,5 bilhões de anos, no início do Sistema Solar. Estudar o seu disco nos permite compreender melhor o ambiente e os mecanismos que levaram à formação dos nossos planetas.

Devido à sua relevância no estudo das origens do nosso sistema solar, esta estrela, inicialmente observada pelo Telescópio Spitzer, foi recentemente reobservada pelo telescópio James Webb.

O que está acontecendo no disco planetário de SZ Cha

Ainda não foram observados planetas no disco de SZ Cha, mas é altamente provável que o processo de formação já tenha começado. Há uma grande probabilidade de que nele se formem planetas gasosos, como Júpiter ou Saturno, mas também planetas rochosos, como a Terra ou Marte.

Durante a formação dos planetas, que ocorre alguns milhões de anos após o nascimento da estrela, parte do gás e da poeira presentes no disco continua a cair sobre a estrela (atraídos pela sua gravidade, mas também canalizados pelo campo magnético). Uma fração insignificante formará os planetas e quaisquer cinturões de asteroides (também chamados de discos de detritos), e o restante irá evaporar devido à radiação da estrela, dispersando-se no espaço interestelar.

disco protoplanetário — Representação artística de uma estrela recém-nascida que, inicialmente escondida pela poeira do seu disco, torna-se visível uma vez dissipada pelo seu campo de radiação. Crédito: ESO/L. Calçada

Principalmente a radiação X emitida pela estrela, mas também a radiação ultravioleta extrema (UVE), embora de forma menos eficaz, tem um efeito de erosão no disco; precisamente, eles aquecem gases e poeiras fazendo com que evaporem e assim dissipem todo o disco.

Quando é principalmente a radiação X que atua (muito mais energética que a radiação EUV), a evaporação ocorre rapidamente (alguns milhões de anos). No entanto, quando é principalmente a radiação UVE que atua, a evaporação ocorre mais lentamente e, segundo os modelos, o disco sobrevive pelo menos mais um milhão de anos.

O fato de o gás e a poeira do disco estarem dispersos no espaço significa que os planetas devem fazer uma verdadeira corrida contra o tempo para se formarem. Na verdade, se os planetas perderem tempo, correm o risco de ficar sem matéria-prima (gás e poeira) para se formar, uma vez que tudo já evaporou.

O que os telescópios Spitzer e Webb observaram

O Spitzer foi um telescópio espacial da NASA que observou no infravermelho entre 2003 (ano de seu lançamento em órbita) e 2020, quando foi desativado. Entre as estrelas observadas pelo Spitzer estava SZ Cha. Foi o Spitzer que descobriu em 2008 não apenas que SZ Cha tinha um disco protoplanetário, mas que esta estrela, de uma amostra de 50 estrelas, era a única a ter uma quantidade muito maior de gás neon duas vezes ionizado do que em outras estrelas semelhantes.

O gás neon duas vezes ionizado é o neon que perdeu seus dois elétrons mais externos, devido à interação com os raios UVE.

O fato de haver uma abundância de neon duas vezes ionizado indicava que o disco era predominantemente irradiado com radiação UVE, em vez de raios X, e, portanto, evaporaria mais lentamente. Concluiu-se que os planetas, principalmente os gasosos, que estavam ou estariam se formando, poderiam “ir com calma”, pois teriam gás disponível por bastante tempo.

espectro da estrela SZ Cha — Comparação entre o espectro do disco da SZ Cha observado pelo Spitzer em 2008 em que a linha de neon duas vezes ionizado (Ne III) é evidente; e o espectro obtido pelo James Webb em 2023 em que a linha desapareceu. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI).

A surpresa veio recentemente das observações do telescópio James Webb. Ele também observou o disco da SZ Cha, 15 anos depois do Spitzer, mas não encontrou mais a presença de neon duas vezes ionizado. Isto significa que o neon ainda está presente no disco de SZ Cha, mas agora é neutro ou ionizado apenas uma vez. Com isso, o disco é agora irradiado com raios X e, portanto, a sua erosão é rápida. A possibilidade e o tempo para a SZ Cha formar planetas gasosos foram reduzidos em cerca de 1 milhão de anos.

Os cientistas que conduziram estas observações, liderados pela astrônoma Catherine Espaillat, e cujos resultados foram publicados na revista Astrophysical Journal Letters, acreditam que a transição de um campo de radiação dominado pelos raios UVE para um dominado pelos raios-X está ligada ao vento estelar (análogo ao vento que conhecemos, mas composto de partículas eletricamente carregadas em velocidade supersônica).

Na verdade, ao mesmo tempo das observações do James Webb, a presença de ventos fortes foi observada através de telescópios na Terra; por isso os cientistas acreditam que "a radiação UVE foi impedida de atingir o disco, enquanto os raios-X conseguiram permear o vento e irradiar o disco".

Não se pode excluir que a intensidade e a forma do vento possam mudar no futuro, fazendo com que a radiação UVE volte a prevalecer e dar aos exoplanetas gasosos uma 'pausa' no seu processo de formação.