Como três anéis de ferro poderiam redefinir a formação planetária

Uma estrutura de três anéis na região de formação planetária do disco circunstelar, onde minerais e metais servem como repositório para blocos de construção planetários.

Uma equipa de investigação, incluindo astrónomos do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), descobriu uma estrutura de berçário planetário de três anéis no disco de formação planetária interior de uma estrela jovem. Esta configuração sugere dois Júpiter– Planetas com massa se formam nas lacunas entre os anéis. A análise detalhada é consistente com abundantes grãos de ferro sólido que complementam a composição do pó. Como resultado, o disco provavelmente contém minerais e metais semelhantes aos encontrados nos planetas terrestres do Sistema Solar. Fornece um vislumbre de condições semelhantes às do início do sistema solar, há mais de quatro mil milhões de anos, durante a formação de planetas rochosos como Mercúrio. Vênuse a terra.

Três anéis de ferro em um disco de formação planetária

A origem da Terra e do sistema solar inspira os cientistas e o público. Ao estudar o estado atual do nosso planeta natal e de outros corpos do Sistema Solar, os investigadores desenvolveram uma imagem detalhada das condições sob as quais evoluíram a partir de um disco de poeira e gás que rodeava o Sol nascente, há cerca de 4,5 mil milhões de anos.

Três anéis indicam dois planetas

Com o progresso surpreendente na investigação sobre a formação de estrelas e planetas visando corpos celestes distantes, podemos agora explorar as condições nos ambientes que rodeiam as estrelas jovens e compará-las com as do início do Sistema Solar. Usando o Observatório Europeu do Sul (Isso) Telescópio muito grande O VLTI foi o que fez uma equipa internacional de investigadores liderada por Józef Varga, do Observatório Konkoli, em Budapeste, Hungria. Eles observaram o disco de formação planetária da jovem estrela HD 144432, a cerca de 500 anos-luz de distância.

Uma vista aérea do Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul no topo do Cerro Paranal, no deserto do Atacama, no Chile. O interferômetro do VLT (VLTI) combina a luz de quatro telescópios, permitindo imagens de alta resolução de objetos celestes distantes. Crédito da foto: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

“Ao estudar a distribuição da poeira na região interna do disco, descobrimos pela primeira vez uma estrutura complexa na qual a poeira se acumula em três anéis concêntricos nesse ambiente”, diz Roy van Bokel. Ele é cientista do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, e coautor do artigo de pesquisa principal publicado na revista Astronomia e astrofísica. “Esta região corresponde à região onde os planetas rochosos se formaram no sistema solar”, acrescenta Van Bokel. Comparado com o sistema solar, o primeiro anel em torno de HD 144432 está dentro da órbita de Mercúrio, e o segundo está próximo de Marteum caminho. Além disso, o terceiro anel corresponde aproximadamente à órbita de Júpiter.

Até agora, os astrônomos encontraram tais formações principalmente em escalas maiores que correspondem a mundos localizados fora do espaço. Saturno Ele gira em torno do sol. Os sistemas de anéis encontrados em discos que rodeiam estrelas jovens geralmente indicam que os planetas se formaram dentro de lacunas à medida que poeira e gás se acumulavam no seu caminho. No entanto, HD 144432 é o primeiro exemplo de um sistema de anéis complexo tão próximo da sua estrela hospedeira. Ocorre em uma área rica em poeira, que é a base de planetas rochosos como a Terra. Assumindo que os anéis indicam a presença de dois planetas em formação dentro das lacunas, os astrónomos estimaram que as suas massas são aproximadamente semelhantes às de Júpiter.

As condições podem ser semelhantes às do início do sistema solar

Os astrónomos determinaram a composição da poeira ao longo do disco até à separação da estrela central, que corresponde à distância de Júpiter ao Sol. O que eles descobriram é muito familiar para os cientistas que estudam a Terra e os planetas rochosos do sistema solar: vários silicatos (compostos metálicos de silício-oxigênio) e outros minerais encontrados na crosta e no manto terrestre, e talvez ferro metálico encontrado em Mercúrio e na Terra. Núcleos. Se confirmado, este estudo será o primeiro a detectar ferro num disco de formação planetária.

Esta ilustração é um diagrama esquemático do HD 144432 observado com o VLTI. Os dados são consistentes com uma estrutura de três anéis concêntricos. As lacunas entre os anéis geralmente indicam que grandes planetas se formam por acumulação de poeira e gás ao longo da sua órbita em torno da sua estrela hospedeira. Os minerais de silicato existem principalmente como cristais na zona quente interna. O feedback VLTI não pode limitar o disco externo frio. Crédito: © J. Varga et al. / MPIA

“Até agora, os astrónomos explicaram as observações de discos de poeira com uma mistura de carbono e poeira de silicato, materiais que vemos em quase todo o Universo”, explica Van Bokel. Contudo, do ponto de vista químico, a mistura de ferro-silicato é mais aceitável em regiões quentes do disco interno. Na verdade, o modelo químico que Varga, principal autor do artigo de investigação original, aplicou aos dados produz melhores resultados quando é introduzido ferro em vez de carbono.

Além disso, a temperatura da poeira observada em HD 144432 pode chegar a 1.800 K (cerca de 1.500 graus). Celsius) na borda interna e uma temperatura moderada de 300 K (cerca de 25 °C) na parte externa. Metais e ferro derretem e condensam novamente, muitas vezes em cristais, em regiões quentes perto da estrela. Em contraste, os grãos de carbono não sobreviverão ao calor e, em vez disso, existirão como monóxido de carbono ou gás dióxido de carbono. No entanto, o carbono ainda pode ser um componente importante das partículas sólidas no disco externo frio, que as observações deste estudo não conseguem rastrear.

A poeira rica em ferro e pobre em carbono também é adequada às condições do sistema solar. Mercúrio e a Terra são planetas ricos em ferro, enquanto a Terra contém relativamente pouco carbono. “Achamos que o disco HD 144432 pode ser muito semelhante ao sistema solar inicial, que forneceu grande parte do ferro para os planetas rochosos que conhecemos hoje”, diz van Bokel. “O nosso estudo pode ser outro exemplo que mostra que a formação do nosso sistema solar pode ser bastante típica.”

A interferometria resolve pequenos detalhes

A recuperação dos resultados só foi possível através de observações de resolução excepcionalmente alta, fornecidas pelo VLTI. Ao combinar os quatro telescópios VLT de 8,2 metros no Observatório Paranal do Observatório Europeu do Sul, podem resolver detalhes como se os astrónomos usassem um telescópio com um espelho primário de 200 metros. Varga, van Bokel e seus colaboradores adquiriram os dados usando três instrumentos para alcançar uma ampla cobertura de comprimento de onda de 1,6 a 13 micrômetros, que representa a luz infravermelha.

O MPIA forneceu elementos de biotecnologia para dois instrumentos, GRAVITY e o Multi-Aperture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Um dos principais objetivos de Mattis é estudar as regiões rochosas que constituem os planetas em torno de estrelas jovens. “Ao observar o interior dos discos protoplanetários em torno das estrelas, pretendemos explorar a origem dos diferentes minerais contidos no disco – minerais que mais tarde formarão os componentes sólidos de planetas como a Terra”, diz Thomas Henning, diretor e investigador do MPIA. Participante PI da ferramenta MATISSE.

No entanto, produzir imagens de interferômetro como as que estamos acostumados a obter de telescópios individuais não é fácil e demorado. O uso mais eficiente do valioso tempo de observação para decifrar a estrutura do objeto é comparar dados esparsos com modelos de possíveis configurações de alvo. No caso do HD 144432, a estrutura de três anéis representa melhor os dados.

Quão comuns são os discos de formação de planetas ricos em ferro?

Além do sistema solar, HD 144432 parece fornecer outro exemplo de formação de planetas num ambiente rico em ferro. No entanto, os astrônomos não vão parar por aí. “Ainda temos alguns candidatos promissores à espera que o VLTI olhe mais de perto”, salienta Van Bokel. Em observações anteriores, a equipa descobriu vários discos em torno de estrelas jovens que indicam configurações que valem a pena revisitar. No entanto, irão revelar a sua estrutura e química detalhadas utilizando dispositivos VLTI de última geração. Eventualmente, os astrónomos poderão ser capazes de esclarecer se os planetas normalmente se formam em discos de poeira ricos em ferro perto das suas estrelas-mãe.

Referência: “Evidência de infravermelho médio para poeira rica em ferro no disco multiring interno de HD 144432” por J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Cosbal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati ou Jarati, F. Cruz Sáenz de Mira, W. C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. Henning, K.‑H. Hoffmann, M. Holley, JW Isbell, W. Jaffe, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobos, E. Kokulina, L. Labadié, F. LECO, F. Mellor, A. Moura, N. Morugão, E. Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. VanHaester, J. Weigelt, J. Wells e B. Woytek, 8 de janeiro de 2024, Astronomia e astrofísica.
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

Os investigadores do MPIA envolvidos neste estudo são: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (também Centro de Investigação HUN-REN para Astronomia e Ciências da Terra, Observatório Konkoli, Budapeste, Hungria). [Konkoly]; CSFK, Centro de Excelência MTA, Budapeste, Hungria [CSFK]; Universidade ELTE Eötvös Loránd, Budapeste, Hungria [ELTE]), Alessio Carati ou Garatti (também INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Nápoles, Itália).

Outros acionistas são: J. Varga (Concoli; CSFK; Observatório de Leiden, Holanda). [Leiden]), LBFM Waters (Radboud University, Nijmegen, Holanda; SRON, Leiden, Holanda), M. Hogerheijde (Leiden; Universidade de Amsterdã, Holanda) [UVA]), a. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nice, França [OCA]), B. Lopez (OCA), K. Peru (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, França [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universidade de Kiel, Alemanha [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemanha), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universidade de Toulouse, França), WC Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, EUA), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Instituto Max Planck de Radioastronomia, Bonn, Alemanha [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (Reino Unido), E. Kokoulina (Universidade de Liège, Bélgica ; OCA), L. Labadie (Universidade de Colónia, Alemanha), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa e Universidade do Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, França), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Observatório Europeu do Sul, Garching, Alemanha ), P. Woitke (Instituto de Pesquisa Espacial, Academia Austríaca de Ciências, Graz, Áustria), Colaborações MATISSE e GRAVITY