Uma nova simulação de supercomputador da NASA do planeta e do disco de detritos ao redor da estrela Beta Pictoris revela que o movimento do planeta dirige ondas espirais através do disco, um fenômeno que gera colisões entre os detritos em órbita. Padrões nas colisões e a poeira resultante parece ser responsável por muitas feições observadas que pesquisas anteriores tinham sido incapazes de serem explicadas completamente.
“Nós essencialmente criamos uma Beta Pictoris virtual no computador e observamos sua evolução durante milhões de anos”, disse Erika Nesvold, uma astrofísica na Universidade de Maryland, em Baltimore County, que ajudou no desenvolvimento da simulação. “Esse é o primeiro modelo completo 3D de um disco de detritos onde nós podemos observar o desenvolvimento de feições assimétricas formadas por planetas, como curvaturas e anéis excêntricos, e também rastreiam colisões entre as partículas ao mesmo tempo”.
Em 1984, Beta Pictoris tornou-se a segunda estrela conhecida a ser circundada por um disco brilhante de poeira e detritos. Localizada a somente 63 anos-luz de distância, estima-se que a Beta Pictoris tenha 21 milhões de anos de vida, ou menos de 1% da idade do nosso Sistema Solar. Ela oferece aos astrônomos uma poltrona na primeira fila para observar a evolução de um sistema planetário jovem e permanece um dos mais próximos e jovens e bem estudados exemplos hoje em dia. O disco, que nós observamos de lado, contém fragmentos de rocha e gelo com tamanhos que variam maiores de uma casa até menores do que partículas de poeira. Ele é uma versão mais jovem do cinturão de Kuiper que se localiza nas franjas do nosso sistema planetário.
Nesvold e seu colega Marc Kuchner, um astrofísico no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, apresentou as descobertas durante a conferência In The Spirit of Lyot 2015, em Montreal, que focou na detecção direta dos planetas e discos ao redor de estrelas distantes. Um artigo descrevendo a pesquisa foi submetido para publicação no The Astrophysical Journal.
Em 2009, os astrônomos confirmaram a existência de Beta Pictoris b, um planeta com uma massa estimada de cerca de nove vezes a massa de Júpiter, no disco de detritos ao redor de Beta Pictoris. Viajando ao longo de uma órbita inclinada e levemente alongada de 20 anos, o planeta se mantém a uma distância da estrela, equivalente à distância de Saturno com relação ao Sol.
Os astrônomos têm tentado explicar várias feições vistas no disco, incluindo uma distorção aparente no comprimento de onda submilimétrico, um padrão em forma de X visível na luz espalhada, e vastas aglomerações do gás monóxido de carbono. Um ingrediente comum em cometas, as moléculas de monóxido de carbono são destruídas pela luz ultravioleta da estrela em poucas centenas de anos. Para explicar por que o gás é aglomerado, pesquisadores anteriores sugerem que poderiam ser detritos congelados encurralados por um segundo planeta não visto ainda, resultando em alto número de colisões incomuns que produziram monóxido de carbono. Ou talvez, o gás foi uma consequência de uma extraordinária colisão de mundos gelados do tamanho de Marte.
“Nossa simulação sugere que muitas dessas feições podem ser prontamente explicadas por um par de ondas espirais em colisão excitadas no disco pelo movimento e pela gravidade do Beta Pictoris b”, disse Kuchner. “Assim como uma bola caindo numa piscina, o planeta guia imensas mudanças no disco de detritos uma vez que ele atinge sua órbita presente”.
Manter uma simulação de milhares de partículas fragmentadas durante milhões de anos é uma tarefa computacionalmente complicada. Os modelos existentes não eram estáveis por tempo suficiente ou continham aproximações que mascaravam as estruturas observadas por Nesvold e Kuchner.
Trabalhando com Margaret Pan e Hanno Rein, ambos agora na Universidade de Toronto, eles desenvolveram um método onde cada partícula na simulação representava um aglomerado de corpos com uma variedade de tamanhos e movimentos similares. Rastreando como essas superpartículas interagiam, eles puderam ver como as colisões entre trilhões de fragmentos produzindo poeira, e, combinado com outras forças no disco, formaram os tipos de padrões observados pelos telescópios. A técnica, chamada Superparticle-Method Algorithm for Collisions in Kuiper (SMACK), também reduziu muito o tempo necessário para rodar uma simulação assim complexa.
Usando o supercomputador Discover operado pelo NASA Center for Climate Simulation no Goddard, o SMACK rodou o modelo de Beta Pictoris em 11 dias rastreando a evolução de 100000 superpartículas sobre toda vida do disco.
À medida que o planeta se move em sua órbita inclinada, ele passa verticalmente através do disco duas vezes em cada órbita. Sua gravidade excita uma onda vertical espiral no disco. Os detritos concentram nas cristas e nos vales das ondas e colidem com mais frequência ali, o que explica o padrão em forma de X visto na poeira e pode ajudar a explicar os aglomerados de monóxido de carbono.
A órbita do planeta também é levemente excêntrica, o que significa que a sua distância da estrela varia pouco a cada órbita. Seu movimento retira detritos e gera uma segunda onda espiral através da face do disco. Essa onda aumenta as colisões nas regiões internas do disco, que remove os fragmentos maiores. No disco real, os astrônomos reportam uma limpeza similar dos grandes detritos perto da estrela.
“Uma das questões sobre Beta Pictoris é como o planeta terminou nessa órbita estranha”, explicou Nesvold. “Nossa simulação sugere que ele chegou ali a cerca de 10 milhões de anos atrás, possivelmente depois de interagir com outros planetas orbitando a estrela que ainda não foram detectados”.
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