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Como o 'DNA cósmico' revelou irmãos de exoplanetas criados no mesmo berçário

Sistemas de exoplanetas foram encontrados em todo o céu, onde quer que olhemos. Recentemente, dois sistemas de exoplanetas supostamente não relacionados, Kepler 52 e Kepler 968, foram rastreados e descobriram ter o mesmo aglomerado de origem: Theia 520. Isso nos dá esperança de algum dia encontrar nossos próprios irmãos cósmicos. (NASA, ESA E M. KORMESSER (ESO))

Como dois sistemas de exoplanetas aparentemente distintos acabaram se relacionando.

Praticamente todas as estrelas da Via Láctea têm uma história de origem semelhante. Em algum momento do passado, uma nuvem molecular de gás – principalmente hidrogênio e hélio, mas enriquecida com os elementos pesados ​​de gerações anteriores de estrelas – começou a se contrair sob sua própria gravidade. À medida que essa nuvem se contrai, ela irradia calor, tornando-se densa o suficiente em locais em que a massa começa a se acumular em um processo descontrolado. Depois de milhões de anos, proto-estrelas e estrelas completas começam a se formar, e a corrida começa: entre a gravidade, tentando crescer e formar o maior número possível de estrelas, e da radiação das estrelas recém-formadas, que funciona para ferver a matéria neutra e evitar que as estrelas se formem ainda mais.

Esse processo, como o entendemos, é o que ocorre dentro das regiões de formação de estrelas, dando origem ao nascimento de novas estrelas e uma visão familiar aos astrônomos: aglomerados de estrelas. Esses aglomerados de estrelas normalmente vivem apenas por um curto período de tempo, depois dissociam-se e as estrelas são distribuídas aleatoriamente por toda a galáxia. Traçá-los de volta ao seu berçário original é muitas vezes uma tarefa muito complexa, mas avanços recentes podem ter tornado isso possível. Pela primeira vez, duas estrelas que abrigam exoplanetas – Kepler 52 e Kepler 968 – foram rastreadas até seu aglomerado estelar parental, e de fato confirmamos: esses dois sistemas maduros estão apenas agora deixando seus lares de infância. Aqui está como sabemos.

Durante sua missão principal, o Kepler da NASA observou o mesmo pedaço de céu por anos. Como resultado, enquanto observava mais de 100.000 estrelas em seu campo de visão de uma só vez, descobriu milhares de sistemas estelares com planetas próprios. (JON LOMBERG (ARTEFA), NASA (DIAGRAMA KEPLER))

Quando a missão Kepler começou a observar o céu, o plano era simples, direto e brilhante. Ele apontaria seu olho telescópico para a mesma região do espaço, repetidamente, por anos a fio. Ao observar esta área no céu – localizada ao longo de um dos braços do nosso plano galáctico – coletou dados de mais de 100.000 estrelas simultaneamente. Para a maioria dessas estrelas, seus planetas orbitaram fora do plano que cruzaram com nossa linha de visão. Contanto que a estrela não fosse inerentemente variável e nenhum dos planetas passasse na frente do disco da estrela enquanto orbitava, o brilho de cada estrela permaneceria constante.

Mas com mais de 100.000 estrelas para ver, mesmo configurações relativamente raras podem ser encontradas em abundância. Mesmo que apenas uma pequena porcentagem de estrelas estivesse alinhada fortuitamente, de modo que (pelo menos) um ou mais de seus planetas internos passassem na frente do disco da estrela durante sua órbita de nossa perspectiva, pudemos identificar um escurecimento periódico da estrela. Se esse evento de trânsito ocorresse repetidamente e pudesse ser seguido por uma medição complementar, esse evento interessante poderia ser promovido primeiro a um candidato a exoplanetário e depois a um exoplaneta confirmado.

Esta figura mostra o número de sistemas com um, dois, três planetas, etc. Cada ponto representa um sistema planetário conhecido. Em 2017, sabíamos de mais de 2.000 sistemas de um planeta e progressivamente menos sistemas com muitos planetas. Nos anos seguintes, esses números continuaram a aumentar, com mais de 4.000 exoplanetas no total agora conhecidos. (NASA/AMES RESEARCH CENTER/WENDY STENZEL E A UNIVERSIDADE DO TEXAS EM AUSTIN/ANDREW VANDERBURG)

Desde o seu lançamento, há pouco mais de uma década, o Kepler da NASA descobriu milhares de estrelas que abrigavam um ou mais planetas ao seu redor, com nosso total atual de exoplanetas excedendo o total de 4.000 planetas. Duas dessas estrelas, quase na mesma região do céu, pareciam ser típicas e não dignas de nota de muitas maneiras semelhantes: Kepler 52 e Kepler 968 .

Kepler 52 tem três exoplanetas conhecidos ao seu redor, com o mais distante cerca de metade da distância de Mercúrio do nosso Sol. Kepler 52, a estrela, é menos massiva e luminosa que o nosso Sol (cerca de 54% da massa), e é o tipo mais massivo de estrela do tipo M: bem na fronteira entre o que faz uma anã vermelha, que nunca fundirá hélio em carbono, e uma estrela do tipo K, que um dia chegará lá.

Kepler 968, por outro lado, tem dois exoplanetas conhecidos que estão em órbitas extremamente estreitas: separados apenas de sua estrela-mãe por cerca de 10% da distância Sol-Mercúrio. Kepler 968 é uma estrela um pouco mais massiva, com 76% da massa do nosso Sol, e é uma estrela da classe K de pleno direito: entre o tipo G, semelhante ao Sol, e o tipo M de baixa massa.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. Nosso Sol é uma estrela da classe G, produzindo luz com uma temperatura efetiva de cerca de 5800 K e um brilho de 1 luminosidade solar. As estrelas podem ter uma massa tão baixa quanto 8% da massa do nosso Sol, onde queimarão com ~ 0,01% do brilho do nosso Sol e viverão mais de 1000 vezes mais, mas também podem aumentar centenas de vezes a massa do nosso Sol , com milhões de vezes a luminosidade do nosso Sol e tempos de vida de apenas alguns milhões de anos. A primeira geração de estrelas deve consistir quase exclusivamente de estrelas do tipo O e do tipo B, e pode conter estrelas com mais de 1.000 vezes a massa do nosso Sol. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB, ADIÇÕES DE E. SIEGEL)

Essas duas estrelas, na superfície, parecem não relacionadas uma com a outra. Eles estão próximos, mas em partes distintas do céu, ambos estão a pouco mais de 1.000 anos-luz de distância, e suas idades, com base em dados da missão Gaia da Agência Espacial Européia, são extremamente mal restritas. Ambas são estrelas evoluídas, com indicações de que:

• eles estão fundindo hidrogênio em hélio em seus núcleos,
• eles só têm planetas totalmente formados ao seu redor, não discos protoplanetários ou outras fontes ricas de detritos empoeirados,
• e que seus sistemas solares são maduros, como o nosso.

Se isso fosse tudo o que sabíamos sobre essas estrelas, provavelmente daríamos por encerrado. Como muitas estrelas, elas parecem ter um sistema de planetas ao seu redor, não estão associadas a nenhum tipo de aglomerado estelar e têm muitas incertezas sobre suas propriedades. Claro, conhecemos cada uma das massas das estrelas e as propriedades orbitais dos planetas, mas além disso, é muito difícil inferir coisas como suas idades, seus períodos de rotação, suas metalicidades ou como eles estão se movendo em relação a nós e uns aos outros. ; os dados do Kepler, e mesmo os dados de acompanhamento para confirmar a existência desses exoplanetas, não nos dizem muito por conta própria.

A missão Gaia da ESA mediu as posições e propriedades de centenas de milhões de estrelas perto do centro galáctico e está a encontrar evidências de algumas das estrelas mais antigas conhecidas pela humanidade presentes neste ambiente. Também identificou aglomerados estelares enormes, extensos e difusos, talvez milhares deles em toda a Via Láctea, que nunca haviam sido identificados antes. (ESA/GAIA/DPAC)

No entanto, essas estrelas e seus sistemas planetários não foram observados apenas pelo Kepler, mas também pelo TESS da NASA – o Transiting Exoplanet Survey Satellite – e pelo Zwicky Transient Facility. Com os dados combinados de três observatórios separados, os cientistas conseguiram medir duas propriedades muito importantes sobre essas estrelas:

1. suas taxas de rotação, determinando a rapidez com que cada estrela leva para girar uma revolução completa em torno de seu próprio eixo,
2. e a massa da estrela-mãe, inferida pelas propriedades dos planetas em órbita.

Essas duas informações, combinadas, são tremendamente interessantes. A razão é simples: quando as estrelas nascem, elas giram rapidamente; leva apenas algumas horas a alguns dias para eles completarem um giro completo de 360°. No entanto, com o tempo, seus campos magnéticos fazem com que sua taxa de rotação diminua. Se você nasceu girando rapidamente, seu campo magnético o desacelerará mais rapidamente. Além disso, se você é uma estrela menos massiva, sua taxa de rotação aumenta mais facilmente do que se você for mais massiva, o que leva a um fenômeno interessante. Uma vez que seu conjunto de estrelas recém-nascidas tenha mais de 100 milhões de anos, todas as estrelas com mais massa do que um certo limite exibirão uma correlação agradável e clara entre suas massas e suas taxas de rotação, com as especificidades dessa correlação altamente dependentes das idades. das estrelas. À medida que os aglomerados de estrelas envelhecem, as estrelas mais massivas evoluem, deixando apenas os membros menos massivos e menos luminosos para trás.

As estrelas presentes e ausentes dentro de um aglomerado recém-nascido revelam sua idade. Inicialmente, sua distribuição segue a linha longa e curva do canto inferior direito ao canto superior esquerdo. À medida que as estrelas envelhecem, as do canto superior esquerdo evoluem para cima e para a direita, com idades maiores diminuindo ainda mais o ponto de desligamento na curva. As estrelas mais azuis e brilhantes também são as de vida mais curta. (CHRISTOPHER TOUT, NATUREZA 478, 331–332 (2011))

Ao mesmo tempo, os últimos anos produziram uma relativa surpresa para os astrônomos no que diz respeito às estrelas. A missão Gaia da ESA, projetada para medir primorosamente as propriedades de mais de um bilhão de estrelas em nossa galáxia - a que distância elas estão, suas posições, seus movimentos ao longo do tempo, suas cores, suas paralaxes, etc. - começou a encontrar aglomerados de estrelas com propriedades que nunca vimos antes. Considerando que os aglomerados estelares com os quais estamos mais familiarizados são coleções de estrelas compactas, compactas e semelhantes a bolas, Gaia descobriu mais de 1.000 novos aglomerados estelares que estão espalhados por áreas amplas: como se colapsassem ao longo de filamentos, em vez de de nuvens elipsoidais de gás.

Um desses novos aglomerados de estrelas é conhecido como Theia 520, cujas estrelas têm aproximadamente 350 milhões de anos. Ao todo, o próprio aglomerado está a cerca de 1.200 anos-luz de distância, mas é alongado e amplamente espalhado pelo espaço. Em vez de compacto e rico, é difuso e amplo. Por essa razão, é um objeto terrível de se ver com os olhos através de um telescópio. No entanto, é um exemplo brilhante desse novo tipo de cluster. Como muitos dos novos, tem caudas de maré, distribuições difusas e características que parecem ser impulsionadas pela evolução. Alguns desses aglomerados, de fato, são tão alongados que se estendem por mais de mil anos-luz de ponta a ponta. Theia 520 é uma delas, e essas duas estrelas, Kepler 52 e Kepler 968, são encontradas na periferia do próprio aglomerado.

As Hyades, o aglomerado estelar mais próximo da Terra, pode não ser o que pensávamos há muito tempo. Tradicionalmente, imaginamos as Hyades como um aglomerado estelar originalmente esferoidal que está em processo de dissociação ou separação, e é por isso que suas estrelas são tão estendidas. Mas com a recente identificação de aglomerados estelares longos e filamentosos como talvez o tempo dominante, talvez as Híades sejam um desses aglomerados estelares filamentosos estendidos. (ESA/GAIA/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO; AGRADECIMENTOS: S. JORDAN/T. SAGRISTA)

É apenas pelo fato de termos tantos observatórios novos e de ponta que se complementam que fomos capazes de sintetizar essa imagem de forma holística.

• A partir do Gaia da ESA e da sua visão de estrelas individuais, podemos obter dados de astrometria e fotometria, ensinando-nos a posição, a cor da estrela e um pouco sobre o seu movimento.
• A partir de Kepler, TESS e Zwicky Transient Facility, podemos determinar as órbitas dos planetas ao redor da estrela, os dados de rotação da estrela e a massa da estrela em questão.
• E do telescópio Keck, o instrumento APOGEE do Sloan Digital Sky Survey e o da China LAMOST telescópio , podemos obter dados espectroscópicos, que ajudam a nos informar sobre a metalicidade da estrela (quantos e quais tipos de elementos pesados ​​estão dentro) e outras propriedades estelares detalhadas.

Na era moderna de grandes conjuntos de dados, um recurso útil é que todos esses vários observatórios já tiveram seus dados digitalizados e estão todos disponíveis gratuitamente e publicamente para pesquisadores em qualquer lugar do mundo. A partir dessa posição, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Jason Curtis da Universidade de Columbia conseguiu tirar algumas conclusões extraordinárias.

Kepler-52, em roxo, e Kepler 968, em azul escuro, parecem relativamente não relacionados. Ambos têm vários exoplanetas e são encontrados aproximadamente na mesma região do céu, mas nunca soubemos que eles faziam parte de um aglomerado estelar grande e difuso até muito recentemente. (JASON CURTIS, MARCEL AGÜEROS, ET AL.)

Em primeiro lugar, Kepler 52 e Kepler 968 são, de fato, parte de um aglomerado estelar muito maior, enorme, mas difuso: Theia 520. Se eles se formaram a partir da mesma nuvem de gás, você esperaria que todos:

• têm as mesmas idades dentro de apenas alguns milhões de anos,
• para seguir a mesma correlação massa vs. período de rotação,
• e todos têm aproximadamente o mesmo conteúdo de elementos pesados, ou metalicidades, uns dos outros.

Isso é exatamente o que vemos. Theia 520 consiste em cerca de 400 estrelas, espalhadas por uma grande área do céu. As metalicidades das estrelas são até agora difíceis de obter, mas para as sete estrelas diferentes onde existem medições de metalicidade, todas são consistentes umas com as outras e com uma fração de elementos pesados ​​comparável ao nosso próprio Sol. E, como já vimos, todos eles seguem a correlação do período de rotação de massa que mostramos anteriormente, com Kepler 52 e Kepler 968 combinando extremamente bem com Theia 520. Isso deixa uma conclusão como a esmagadoramente favorecida: esses dois sistemas estelares, os sistemas Kepler 52 e Kepler 968, são na verdade irmãos um do outro.

Quatro diferentes aglomerados de estrelas e suas estrelas, plotados com período de rotação vs. massa. Observe como as correlações são estreitas em massas altas e como elas só começam a se afastar da curva principal em massas muito baixas que ainda não tiveram tempo de diminuir. Nosso Sol, para comparação, gira com um período de rotação de 25 dias no equador e 33 dias no pólo; girou espetacularmente. (JASON CURTIS, MARCEL AGÜEROS, ET AL.)

Isso é bastante extraordinário! Com os períodos de rotação e massas medidos para 130 estrelas separadas em Theia 520 - cerca de um terço das estrelas identificáveis ​​no interior - fomos capazes de definir as idades das estrelas no interior com extrema precisão: elas têm 350 milhões de anos, com um incerteza de apenas ~ 50 milhões de anos sobre esse número. Isso torna os sistemas Kepler 52 e Kepler 968 incrivelmente valiosos, pois os sistemas planetários jovens parecem ser raros.

De fato, ao observar várias estrelas dentro de Theia 520, encontramos um acaso notável: as estrelas dentro de Theia 520 que abrigam planetas detectados estão preferencialmente localizadas nos arredores desse aglomerado difuso, enquanto as estrelas localizadas mais próximas do aglomerado centro não parecem ter planetas. Embora este seja apenas um desses aglomerados com apenas algumas centenas de estrelas, tornando difícil tirar conclusões amplas, certamente é sugestivo que possa haver um padrão maior em jogo aqui.

Uma seleção do aglomerado globular Terzan 5, uma ligação única ao passado da Via Láctea. Estrelas incrivelmente antigas podem ser encontradas dentro de aglomerados globulares, relíquias de algumas das primeiras “explosões” de formação estelar que ocorreram em nossa vizinhança do Universo. Não seria surpreendente se houvesse uma porcentagem maior de estrelas contendo exoplanetas nos arredores do aglomerado do que no centro. (NASA/ESA/HUBBLE/F. FERRARO)

Como disse o Dr. Curtis, este é apenas o começo. Gaia mostrou que a vizinhança solar está repleta dessas populações estelares difusas, algumas se estendendo por centenas de anos-luz no espaço em padrões alongados, outras dispostas em distribuições mais amorfas e algumas que são aglomerados densos com halos e caudas. Como Theia 520, alguns desses agrupamentos abrigam planetas já conhecidos, com muitos outros esperando para serem descobertos com a pesquisa em andamento do TESS.

Ao medir as taxas de rotação e as massas das estrelas, podemos determinar suas idades com excelente precisão. Esta nova pesquisa nos leva um passo adiante: em território onde podemos identificar grandes aglomerados estelares alongados e difusos, mesmo aqueles espalhados por mais de mil anos-luz, que podemos rastrear com confiança até uma única origem no tempo. É a prova de que podemos identificar quais estrelas, mesmo estrelas separadas por grandes distâncias, nasceram juntas, da mesma região de formação de estrelas. E oferece esperança, talvez pela primeira vez, de que, se pudermos reunir dados suficientes de alta qualidade, mesmo 4,5 bilhões de anos após o fato, poderemos algum dia encontrar nossos irmãos estelares há muito perdidos também. Com o poder de grandes conjuntos de dados, ciência aberta, muita técnica e um pouco de sorte, podemos descobrir em breve que estamos muito menos solitários no Universo do que imaginávamos.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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