Armadilha de poeira espontâneas: Astrônomos descobrem elo perdido na formação planetária

Uma imagem de um disco protoplanetário, obtida usando resultados de um novo modelo, após a formação de armadilhas de poeira espontâneas, visível como um brilhante anel de poeira. O gás tem tons de azul e a poeira de vermelho. Crédito: Jean-François Gonzalez

Pensa-se que os planetas se formam nos discos de gás e poeira encontrados em redor de estrelas jovens. Mas os astrónomos têm lutado para montar uma teoria completa da sua origem e que explica como é que a poeira inicial se desenvolve em sistemas planetários. Uma equipa francesa, britânica e australiana pensa que tem agora a resposta. As suas simulações mostram a formação de "armadilhas de poeira" onde fragmentos do tamanho de seixos se reúnem e aglomeram, para dar origem aos blocos de construção dos planetas. Publicaram os seus resultados na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

O nosso Sistema Solar (e outros sistemas planetários) começou com discos de gás e grãos de poeira em redor de uma estrela jovem. Os processos que convertem esses grãos minúsculos, cada com micrómetros de diâmetro, em agregados com alguns centímetros, e o mecanismo para fabricar núcleos planetários a partir de "planetesimais" de tamanho quilométrico, são bem compreendidos.
O estágio intermédio, que pega em seixos e os aglomera em objetos com o tamanho de asteroides, é menos claro, mas, com mais de 3500 planetas já descobertos em redor de outras estrelas, todo o processo parece ser omnipresente.


Esta ilustração mostra os estágios do mecanismo de formação das armadilhas de poeira. A estrela central é vista a amarelo, rodeada pelo disco protoplanetário, aqui visto a azul. Os grãos de poeira formam a banda no disco. No primeiro estágio, os grãos de poeira crescem em tamanho e movem-se para o interior em direção à estrela central. Os grãos, agora com o tamanho de seixos (segundo painel), aglomeram-se para cima e para baixo, e no terceiro estágio o gás é empurrado para fora pela retro-reacção, criando regiões onde a poeira se acumula, as chamadas armadilhas de poeira. As armadilhas permitem com que os seixos se continuem a agregar para formar planetesimais e, eventualmente, planetas.Crédito: Volker Shurbert

O Dr. Jean-François Gonzalez, do Centro de Pesquisa Astrofísica de Lyon, França, liderou o novo trabalho. Ele comenta: "Até agora, temos lutado para explicar como é que seixos se juntam para formar planetas e, mesmo assim, já descobrimos grandes números de planetas em órbita de outras estrelas. Isso levou-nos a pensar sobre como resolver este mistério. Existem duas barreiras principais que precisam ser superadas para que os seixos se tornem em planetesimais. Em primeiro lugar, o arrasto do gás sobre as partículas de poeira num disco faz com que se desloquem rapidamente em direção à estrela central, onde são destruídos, não deixando nenhum material para formar planetas. O segundo desafio é que os grãos em crescimento podem ser quebrados por colisões a alta velocidade, fragmentando-os num grande número de peças mais pequenas e invertendo o processo de agregação.

Os únicos locais, nos discos de formação planetária, onde estes problemas podem ser superados são chamados de "armadilhas de poeira". Nestas regiões de alta pressão, o movimento de deriva diminui, permitindo com que os grãos de poeira se acumulem. Com a sua velocidade reduzida, os grãos também podem evitar a fragmentação quando colidem.
Até agora, os astrónomos pensavam que as armadilhas de poeira só podiam existir em ambientes muito específicos, mas as simulações de computador executadas pela equipa indicam que são muito comuns. O seu modelo presta especial atenção à forma como a poeira num disco arrasta o componente gasoso. 

Na maioria das simulações astronómicas, o gás faz com que a poeira se mova, mas às vezes, nas configurações mais densas, a poeira atua mais fortemente sobre o gás. Este efeito, conhecido como retro-reação aerodinâmica de arrasto, é geralmente negligenciável e tem sido, até agora, ignorado nos estudos de grãos em crescimento e fragmentação. Mas os seus efeitos tornam-se importantes em ambientes ricos em poeira, como aqueles encontrados onde os planetas se formam.

O efeito de retro-reação retarda a deriva interna dos grãos, o que lhes dá tempo para crescer em tamanho. Uma vez suficientemente grandes, os grãos tornam-se os seus próprios "donos", e o gás deixa de poder governar os seus movimentos. O gás, sob a influência desta reação inversa, é empurrado para fora e forma uma região de alta pressão: a armadilha de poeira. Estas armadilhas espontâneas concentram então os grãos oriundos das regiões mais externas do disco, criando um anel muito denso de sólidos e dando uma ajuda à formação dos planetas.

Gonzalez conclui: "Ficámos muito satisfeitos ao descobrir que, com os ingredientes corretos no lugar, as armadilhas de poeira se podem formar espontaneamente numa ampla gama de ambientes. Esta é uma solução simples e robusta para um problema de longa data na formação planetária. Observatórios como o ALMA, no Chile, já vêm anéis brilhantes e escuros em sistemas de formação planetária que se pensa serem armadilhas de poeira. Gonzalez e a sua equipa, e outros grupos de investigação espalhados pelo mundo, planeiam agora estender o modelo de armadilha até ao processo de formação dos planetesimais.