Uma equipe internacional de astrônomos, incluindo pesquisadores do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona, revelou descobertas inovadoras sobre os discos de gás e poeira que cercam estrelas jovens próximas, usando o poderoso Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ou ALMA.

As descobertas, publicadas em 12 artigos em uma edição especial do Astrophysical Journal , fazem parte de um grande programa do ALMA chamado Levantamento ALMA da Evolução de Gás de Discos Protoplanetários, ou AGE-PRO. O AGE-PRO observou 30 discos de formação planetária ao redor de estrelas semelhantes ao Sol para medir a massa dos discos de gás em diferentes idades. O estudo revelou que os componentes de gás e poeira nesses discos evoluem em ritmos diferentes.

Observações anteriores do ALMA examinaram a evolução da poeira nos discos; o AGE-PRO, pela primeira vez, traça a evolução do gás, fornecendo as primeiras medições de massas e tamanhos de discos de gás ao longo da vida útil dos discos formadores de planetas, de acordo com o pesquisador principal do projeto, Ke Zhang, da Universidade de Wisconsin-Madison.

"Agora temos os dois, o gás e a poeira", disse Ilaria Pascucci, professora de ciências planetárias na Universidade do Alabama e uma das três pesquisadoras principais do AGE-PRO. "Observar o gás é muito mais difícil porque exige muito mais tempo de observação, e é por isso que precisamos de um programa grande como este para obter uma amostra estatisticamente significativa."

Um disco protoplanetário gira em torno de sua estrela hospedeira por vários milhões de anos, à medida que seu gás e poeira evoluem e se dissipam, definindo o cronograma para a formação de planetas gigantes . A massa e o tamanho iniciais do disco, bem como seu momento angular, têm uma profunda influência no tipo de planeta que ele pode formar — gigantes gasosos, gigantes gelados ou mini-Netunos — e nas trajetórias de migração dos planetas. O tempo de vida do gás dentro do disco determina o cronograma para o crescimento das partículas de poeira até um objeto do tamanho de um asteroide, a formação de um planeta e, finalmente, a migração do planeta de onde ele nasceu.

Em uma das descobertas mais surpreendentes da pesquisa, a equipe descobriu que, à medida que os discos envelhecem, seu gás e poeira são consumidos em taxas diferentes e sofrem uma mudança na proporção de massa gás-poeira à medida que os discos evoluem: ao contrário da poeira, que tende a permanecer dentro do disco por um período mais longo, o gás se dispersa relativamente rápido, e depois mais lentamente à medida que o disco envelhece. Em outras palavras, os discos formadores de planetas liberam mais gás quando são jovens.

Zhang disse que a descoberta mais surpreendente é que, embora a maioria dos discos se dissipe após alguns milhões de anos, os que sobrevivem têm mais gás do que o esperado. Isso sugere que planetas gasosos como Júpiter têm menos tempo para se formar do que planetas rochosos.

A sensibilidade única do ALMA permitiu aos pesquisadores usar tênues linhas moleculares para estudar o gás frio nesses discos, comprimentos de onda característicos de um espectro de luz que essencialmente atuam como "impressões digitais", identificando diferentes espécies de moléculas de gás. O primeiro levantamento químico em larga escala desse tipo, o AGE-PRO, visou 30 discos de formação planetária em três regiões de formação estelar , com idades entre 1 milhão e 6 milhões de anos: Ophiuchus (o mais jovem), Lupus (de 1 a 3 milhões de anos) e Upper Scorpius (o mais antigo). Usando o ALMA, o AGE-PRO obteve observações de traçadores-chave de massas de gás e poeira em discos que abrangem estágios cruciais de sua evolução, desde sua formação inicial até sua eventual dispersão. Esses dados do ALMA servirão como uma biblioteca abrangente de observações de linhas espectrais para uma grande amostra de discos em diferentes estágios evolutivos.

Dingshan Deng, um estudante de pós-graduação da LPL e autor principal de um dos artigos , forneceu a redução de dados — essencialmente, as análises de imagem necessárias para passar dos sinais de rádio para imagens ópticas dos discos — para a região de formação de estrelas na constelação de Lupus (latim para "lobo").

"Graças a essas novas e longas observações, agora temos a capacidade de estimar e rastrear as massas de gás, não apenas dos discos mais brilhantes e mais bem estudados naquela região, mas também dos menores e mais tênues", disse ele. "Graças à descoberta de marcadores de gás em muitos discos onde não haviam sido observados antes, agora temos uma amostra bem estudada que abrange uma ampla gama de massas de disco na região de formação estelar de Lupus."

O monóxido de carbono é o traçador químico mais amplamente utilizado em discos protoplanetários, mas para medir completamente a massa de gás em um disco , traçadores moleculares adicionais são necessários. O AGE-PRO utilizou N2H + , ou diazenílio, um íon usado como indicador de nitrogênio gasoso em nuvens interestelares, como traçador de gás adicional para melhorar significativamente a precisão das medições. As detecções do ALMA também foram configuradas para receber assinaturas espectrais de luz de outras moléculas, incluindo formaldeído, cianeto de metila e diversas espécies moleculares contendo deutério, um isótopo de hidrogênio.

"Outra descoberta que nos surpreendeu foi que a razão de massa entre o gás e a poeira tende a ser mais consistente entre discos de massas diferentes do que o esperado", disse Deng. "Em outras palavras, discos de tamanhos diferentes compartilharão uma razão de massa de gás para poeira semelhante , enquanto a literatura sugere que discos menores podem liberar gás mais rapidamente."