Uma nova teoria de como os planetas se formam encontra paraísos de estabilidade em meio a violentas turbulências no gás que rodeia uma jovem estrela. Essas áreas protegidas são onde os planetas podem começar a se formar sem serem destruídos. A teoria será publicada na edição de fevereiro da revista Icarus.
“Essa é outra maneira de iniciar um planeta. Ela se casa com as duas principais teorias da formação de planetas ”, disse Richard Durisen, professor de astronomia e presidente desse departamento na Universidade de Indiana Bloomington. Durisen é líder no uso de computadores para modelar a formação de planetas.
Observando suas simulações sendo executadas em um monitor de computador, é fácil imaginar olhar para baixo de um ponto de vista no espaço interestelar e ver o processo realmente acontecer.
Um disco verde de gás gira em torno de uma estrela central. Eventualmente, braços espirais amarelos começam a aparecer no disco, indicando regiões onde o gás está se tornando mais denso. Em seguida, aparecem algumas gotas de vermelho, a princípio apenas sugestões, mas depois gradualmente mais estáveis. Essas regiões vermelhas são ainda mais densas, mostrando onde estão se acumulando massas de gás que podem se tornar planetas mais tarde.
Os gases turbulentos e os discos em turbilhão são construções matemáticas usando hidrodinâmica e computação gráfica. O monitor do computador exibe os resultados dos cálculos dos cientistas como animações coloridas.
"Estes são os discos de gás e poeira que os astrônomos veem em torno da maioria das estrelas jovens, a partir da qual os planetas se formam", explicou Durisen. "Eles são como um redemoinho gigante girando em torno da estrela em órbita. Nosso próprio sistema solar se formou a partir desse disco. ”
Os cientistas agora conhecem mais de 130 planetas em torno de outras estrelas, e quase todos eles são pelo menos tão grandes quanto Júpiter. "Planetas gigantes de gás são mais comuns do que poderíamos imaginar até 10 anos atrás", disse ele. "A natureza é muito boa em fazer esses planetas."
A chave para entender como os planetas são feitos é um fenômeno chamado instabilidades gravitacionais, de acordo com Durisen. Os cientistas pensam há muito tempo que, se os discos de gás ao redor das estrelas forem maciços e frios o suficiente, essas instabilidades acontecem, permitindo que a gravidade do disco sobrecarregue a pressão do gás e faça com que partes do disco se juntem e formem aglomerados densos, que podem se tornar planetas.
No entanto, um disco gravitacionalmente instável é um ambiente violento. Interações com outros materiais de disco e outros aglomerados podem lançar um planeta em potencial na estrela central ou rasgá-lo completamente. Para formar planetas em um disco instável, os planetas precisam de um ambiente mais protegido, e Durisen acha que encontrou um.
À medida que suas simulações são executadas, anéis de gás se formam no disco em uma região instável e se tornam mais densos. Se partículas sólidas acumuladas em um anel migrarem rapidamente para o meio do anel, o núcleo de um planeta poderá se formar muito mais rapidamente.
O fator tempo é importante. Um grande desafio que Durisen e outros teóricos enfrentam é uma descoberta recente de astrônomos que planetas gigantes de gás como Júpiter formam rapidamente com padrões astronômicos. Eles precisam - caso contrário, o gás de que precisam desaparecerá.
"Os astrônomos agora sabem que discos maciços de gás em torno de estrelas jovens tendem a desaparecer por um período de alguns milhões de anos", disse Durisen. "Então essa é a chance de criar planetas ricos em gás. Júpiter e Saturno e os planetas comuns em torno de outras estrelas são todos gigantes de gás, e esses planetas precisam ser feitos durante essa janela de poucos milhões de anos, quando ainda há uma quantidade substancial de disco de gás por perto. ”
Essa necessidade de velocidade causa problemas para qualquer teoria com uma abordagem descontraída da formação de planetas, como a teoria de acreção central, que era o modelo padrão até recentemente.
"Na teoria central de acreção, a formação de planetas gigantes gasosos é iniciada por um processo semelhante ao modo como os planetas como a Terra se acumulam", explicou Durisen. “Objetos sólidos se batem, se unem e crescem em tamanho. Se um objeto sólido cresce cerca de 10 vezes a massa da Terra, e também há gás ao redor, ele se torna massivo o suficiente para capturar grande parte do gás pela gravidade. Quando isso acontece, você obtém um rápido crescimento de um planeta gigante de gás. ”
O problema é que leva muito tempo para formar um núcleo sólido dessa maneira - de 10 a 100 milhões de anos. A teoria pode funcionar para Júpiter e Saturno, mas não para dezenas de planetas em torno de outras estrelas. Muitos desses outros planetas têm várias vezes a massa de Júpiter, e é muito difícil criar planetas enormes por acúmulo de núcleo.
A teoria de que as instabilidades gravitacionais por si mesmas podem formar planetas gigantes gasosos foi proposta pela primeira vez há mais de 50 anos. Foi recentemente revivido devido a problemas com a teoria de acreção central. A idéia de que vastas massas de gás colapsam repentinamente pela gravidade para formar um objeto denso, talvez em apenas algumas órbitas, certamente se encaixa no período de tempo disponível, mas possui alguns problemas.
De acordo com a teoria da instabilidade gravitacional, os braços espirais se formam em um disco de gás e depois se fragmentam em grupos que estão em órbitas diferentes. Esses aglomerados sobrevivem e crescem até os planetas se formarem ao seu redor. Durisen vê esses grupos em suas simulações - mas eles não duram muito.
"Os aglomerados voam, se desmancham, se reformam e são destruídos repetidamente", disse ele. “Se as instabilidades gravitacionais forem fortes o suficiente, um braço espiral quebrará em pedaços. A questão é: o que acontece com eles?
Co-autores do artigo: Kai Cai, estudante de doutorado da IU, e dois ex-alunos de Durisen: Annie C. Mejia, pós-doutorada no Departamento de Astronomia da Universidade de Washington; e Megan K. Pickett, professor associado de física e astronomia, Purdue University Calumet.
Fonte original: Comunicado de imprensa da Universidade de Indiana
