Chave para a rápida formação de planetas

Nosso sistema solar é nossa vizinhança cósmica imediata. Nós o conhecemos bem: o Sol no centro; depois os planetas rochosos Mercúrio, Vênus, Terra e Marte; e então o cinturão de asteroides; seguido pelos gigantes gasosos Júpiter e Saturno; então os gigantes de gelo Urano e Netuno; e finalmente o cinturão de Kuiper com seus cometas. Mas quão bem realmente conhecemos nosso lar? Teorias anteriores assumiram que planetas gigantes são formados por colisões e acumulações de corpos celestes semelhantes a asteroides, os chamados planetesimais, e a subsequente acreção de gás ao longo de milhões de anos. No entanto, esses modelos não explicam nem a existência de gigantes gasosos localizados longe de suas estrelas nem a formação de Urano e Netuno.

Do grão de poeira ao planeta gigante

Astrofísicos da LMU, do cluster ORIGINS e do MPS desenvolveram o primeiro modelo a incorporar todos os processos físicos necessários que desempenham um papel na formação de planetas. Usando esse modelo, eles mostraram que perturbações anulares em discos protoplanetários, as chamadas subestruturas, podem desencadear a rápida formação de múltiplos gigantes gasosos. Os resultados do estudo correspondem às observações mais recentes e indicam que a formação de planetas gigantes pode acontecer de forma mais eficiente e rápida do que se pensava anteriormente.

Com seu modelo, os pesquisadores demonstram como partículas de poeira de tamanho milimétrico se acumulam aerodinamicamente no disco de gás turbulento, e como essa perturbação inicial no disco aprisiona a poeira e a impede de desaparecer na direção da estrela. Esse acúmulo torna o crescimento de planetas muito eficiente, pois de repente muito “material de construção” está disponível dentro de uma área compacta e as condições certas para a formação de planetas estão presentes.

“Quando um planeta fica grande o suficiente para influenciar o disco de gás, isso leva a um enriquecimento renovado de poeira mais distante no disco”, explica Til Birnstiel, Professor de Astrofísica Teórica na LMU e membro do ORIGINS Cluster of Excellence. “No processo, o planeta direciona a poeira — como um cão pastor perseguindo seu rebanho — para a área fora de sua própria órbita.” O processo começa de novo, de dentro para fora, e outro planeta gigante pode se formar. “Esta é a primeira vez que uma simulação rastreia o processo pelo qual a poeira fina cresce em planetas gigantes”, observa Tommy Chi Ho Lau, principal autor do estudo e candidato a doutorado na LMU.

Variedade de gigantes gasosos em nosso e outros sistemas solares

Em nosso sistema solar, os gigantes gasosos estão situados a uma distância de cerca de 5 unidades astronômicas (au) (Júpiter) a 30 au (Netuno) do Sol. Para efeito de comparação, a Terra está a cerca de 150 milhões de quilômetros do Sol, o que equivale a 1 au.

O estudo mostra que em outros sistemas planetários, uma perturbação poderia colocar o processo em movimento em distâncias muito maiores e ainda acontecer muito rapidamente. Tais sistemas têm sido observados frequentemente nos últimos anos pelo observatório de rádio ALMA, que encontrou gigantes gasosos em discos jovens a uma distância além de 200 ua. No entanto, o modelo também explica por que nosso sistema solar aparentemente parou de formar planetas adicionais depois de Netuno: o material de construção foi simplesmente usado.

Os resultados do estudo correspondem às observações atuais de sistemas planetários jovens que têm subestruturas pronunciadas em seus discos. Essas subestruturas desempenham um papel decisivo na formação de planetas. O estudo indica que a formação de planetas gigantes e gigantes gasosos ocorre com maior eficiência e velocidade do que se supunha anteriormente. Essas novas percepções podem refinar nossa compreensão da origem e do desenvolvimento dos planetas gigantes em nosso sistema solar e explicar a diversidade de sistemas planetários observados.