Fomalhaut e o disco de detritos: novas pistas com o ALMA e o JWST sobre exoplanetas

Fomalhaut é uma das estrelas mais brilhantes visíveis no céu nocturno e encontra-se a cerca de 25 anos-luz da Terra, uma proximidade que torna este sistema particularmente adequado para observações detalhadas. Trata-se, além disso, de uma estrela jovem em termos astronómicos, com aproximadamente 440 milhões de anos.

Numa idade como esta, é comum que estrelas semelhantes a Fomalhaut estejam rodeadas por discos de detritos activos, compostos por rocha e poeira geradas por colisões entre planetesimais. É nesses ambientes circumestelares que podem formar-se exoplanetas, e uma das questões mais debatidas na ciência dos exoplanetas é precisamente como os planetas nascem e evoluem no interior destes discos.

Detectar directamente exoplanetas embebidos nestes discos é, contudo, difícil. Por isso, os astrónomos recorrem frequentemente a indícios indirectos: analisam a forma, a morfologia e as subestruturas do disco para inferir a presença de planetas. No caso de Fomalhaut, o disco apresenta uma deformação pouco habitual, e investigações recentes indicam que esse “esculpir” pode ser causado por um planeta massivo em órbita da estrela.

Dois estudos com ALMA (e apoio do JWST) focados no disco de detritos de Fomalhaut

Duas publicações independentes apresentam novas observações de Fomalhaut e do seu disco:

• “O ALMA revela um gradiente de excentricidade no disco de detritos de Fomalhaut”, publicado no Jornal Astrofísico. O autor principal é Joshua Lovell, do Centro de Astrofísica Harvard–Smithsonian.
  
• “Dados de alta resolução do ALMA sobre o disco de detritos de Fomalhaut confirmam uma variação da largura apsidal”, publicado nas Cartas do Jornal Astrofísico. O autor principal é Jay Chittidi, do Departamento de Física e Astronomia da Universidade Johns Hopkins.

Chittidi e colaboradores sublinham que a proximidade de Fomalhaut permite resolver a estrutura do sistema com uma nitidez superior à de muitos outros alvos, reforçando o seu valor para estudar a evolução inicial de sistemas planetários.

A descoberta central: excentricidade variável e um “gradiente de excentricidade negativo”

O resultado mais marcante é que o disco de detritos de Fomalhaut é excêntrico, mas a sua excentricidade não é uniforme. Em vez de manter um valor fixo, a excentricidade muda com a distância à estrela.

Os investigadores descrevem este comportamento como um gradiente de excentricidade negativo: quanto mais afastada da estrela estiver uma determinada região do disco, menos excêntrica ela se torna.

Joshua Bennett Lovell - bolseiro do Submillimeter Array no Centro de Astrofísica Harvard–Smithsonian - destaca que as observações mostram, pela primeira vez, que a excentricidade do disco não permanece constante e que diminui de forma contínua com a distância, algo que, segundo a equipa, ainda não tinha sido demonstrado de forma conclusiva noutro disco de detritos.

As análises combinam medições do ALMA e também observações do JWST, usadas para reforçar a leitura das estruturas do sistema.

O que significa, na prática, um disco excêntrico?

Num disco “perfeito”, as partículas tenderiam a organizar-se em anéis aproximadamente circulares. Quando o anel é excêntrico, a distância ao centro (à estrela) varia ao longo da órbita, o que pode reflectir perturbações gravitacionais, história dinâmica complexa ou condições iniciais pouco simétricas. Um gradiente de excentricidade acrescenta um nível extra: sugere que diferentes partes do disco podem estar a responder de forma distinta a influências internas - como a presença de um planeta - e/ou a propriedades herdadas do momento em que o anel se formou.

Assimetria de largura no disco: 4 UA de diferença entre lados

No segundo estudo, a equipa mede o disco ao longo das suas extremidades (por vezes designadas ansae, as regiões aparentes mais afastadas da estrela no plano do céu) e encontra uma diferença clara: o lado sudeste é 4 UA mais largo do que o lado noroeste nas observações do ALMA.

Coloca-se então a pergunta inevitável: o que está a provocar estas diferenças de forma e de largura?

Exoplanetas escondidos nos anéis: cenários compatíveis com as observações

Teoricamente, planetas podem gerar estruturas deste tipo, mesmo que não sejam vistos directamente. As equipas ajustaram modelos aos dados e concluíram que planetas “ocultos” nos anéis podem remodelar o disco de forma a produzir um gradiente de excentricidade negativo.

No primeiro artigo, Lovell e co-autores realçam que inferir um gradiente de excentricidade em Fomalhaut tem implicações importantes para a existência e para as propriedades orbitais de um planeta interno a interagir com o disco - e avançam, por isso, para a exploração de propriedades planetárias plausíveis dentro desta interpretação.

As observações do JWST impõem restrições adicionais, sobretudo através do instrumento MIRI. Os autores salientam que estas observações fornecem a primeira evidência de um “cinturão intermédio”, com bordos interior e exterior situados, respectivamente, em 83 UA e 104 UA.

Com base no conjunto de dados e na modelação, o estudo de Lovell afunila para dois cenários de exoplaneta:

1. Um planeta entre 109 e 115 UA, que teria limpado material até ao bordo interior do “cinturão principal” de Fomalhaut (tal como observado pelo ALMA).
   
2. Um planeta mais próximo, entre 70 e 75 UA, localizado no interior do cinturão intermédio identificado pelo JWST.

A mesma modelação aponta ainda para uma possibilidade relevante: o disco de Fomalhaut pode ter sido excêntrico desde o início, cabendo ao planeta (ou planetas) sobretudo o papel de esculpir a morfologia do disco - por exemplo, moldando bordos internos e abrindo lacunas consistentes com o que o JWST sugere - mais do que “criar” a excentricidade de raiz.

Brilhos, subestruturas e a dificuldade de explicar tudo com excentricidade fixa

A excentricidade não é a única característica que intriga. Existem diferenças de brilho e subestruturas nos anéis que complicam leituras simplistas. Num comunicado de imprensa, Jay Chittidi explicou que não conseguiram encontrar um modelo com excentricidade fixa capaz de reproduzir estas particularidades; ao comparar modelos antigos e novos, passam a conseguir interpretar melhor o disco e reconstruir a história e o estado actual deste sistema dinâmico.

Porque é que ainda não vemos o planeta?

Apesar de os modelos apontarem para a presença de um planeta, os astrónomos ainda não têm forma de o detectar directamente, caso exista. O artigo de Lovell indica que, em ambos os cenários, a massa implícita do planeta e o intervalo do seu semi-eixo maior ficam abaixo dos limiares de sensibilidade dos métodos actuais de detecção planetária.

Ainda assim, o modelo proposto pode ser posto à prova com novas observações do ALMA noutros discos excêntricos e, à medida que as técnicas e a sensibilidade melhorarem, poderá tornar-se possível regressar a Fomalhaut para confirmar a existência do planeta e validar (ou refinar) o modelo que o prevê.

Lovell resume essa expectativa: com mais dados, poderão surgir novas pistas que ajudem finalmente a desenterrar o planeta que, por enquanto, permanece escondido.

Este artigo foi originalmente publicado pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.