A nuvem L1544 no Touro revela difusão ambipolar a 550 anos-luz e deriva de 0,05 km/s

Uma nuvem fria e escura a cerca de 550 anos-luz da Terra está a iniciar, lentamente, o processo de se transformar numa estrela - e astrónomos conseguiram registar uma etapa decisiva em tempo real. No interior da nuvem, um tipo de gás desloca-se para dentro cerca de 110 milhas por hora (aprox. 180 km/h), ou 0,05 km/s, mais depressa do que outro. Trata-se de uma diferença minúscula que os cientistas previam há muito tempo, mas que nunca tinha sido medida de forma inequívoca.

Estrelas como o Sol nascem dentro de nuvens deste tipo; por isso, compreender os primeiros instantes da sua evolução ajuda a explicar como os sistemas planetários acabam por se formar. O novo resultado oferece uma das observações mais nítidas até agora do momento em que uma estrela começa a ganhar forma, antes de surgir qualquer luz estelar.

O papel da gravidade na formação estelar

A nuvem situa-se na região de formação de estrelas do Touro, a aproximadamente 550 anos-luz, e é conhecida como L1544. Por estar entre os locais mais próximos da Terra onde uma estrela está prestes a nascer, tornou-se um dos alvos mais estudados da sua classe.

Um núcleo pré-estelar como este é um aglomerado de gás e poeira, mais frio do que -262 °C (-440 °F), e com densidade suficiente para que a própria gravidade tente esmagá-lo para o interior. Se nada interferisse, a gravidade prevaleceria. O que trava o colapso é o magnetismo.

Doris Arzoumanian, professora associada no Instituto de Estudos Avançados da Universidade de Kyushu, pesquisa de que forma os campos magnéticos orientam o nascimento das estrelas. Ela liderou o estudo atual.

Campos magnéticos intensos atravessam estes núcleos. Um campo demasiado forte pode travar o colapso e adiar o início da formação estelar. Para Arzoumanian, a pequena deriva observada toca num ponto fundamental sobre como uma estrela começa.

Num e-mail ao Earth.com, Arzoumanian afirmou: “O resultado aborda uma das questões centrais da investigação sobre formação estelar: como a gravidade e os campos magnéticos interagem nas fases mais iniciais do colapso.”

Como o “aperto” magnético se solta

Dentro da nuvem, apenas uma fração do gás possui carga elétrica. Essas partículas carregadas sentem o campo magnético e permanecem presas às suas linhas. Já as partículas neutras - que representam a maior parte do gás - só “percebem” o campo por meio de colisões ocasionais com as partículas carregadas.

À medida que o núcleo se torna mais denso, ele protege o seu interior da luz estelar e dos raios cósmicos que mantêm uma pequena parte do gás eletricamente carregada.

Com isso, as partículas carregadas tornam-se mais raras e as colisões, menos frequentes. O gás neutro, então, consegue escapar desse acoplamento e afunda em direção ao centro sob a ação da gravidade, enquanto o gás carregado permanece ancorado ao campo magnético.

Essa separação lenta entre os dois componentes chama-se difusão ambipolar. A deriva produzida é ínfima - uma pequena fração da velocidade do som - e, por isso, é necessário medir os dois gases em comparação direta, com grande cuidado.

Rastreando o nascimento de uma estrela

Muitas das moléculas usadas para mapear nuvens frias deixam de ser úteis nestas temperaturas, porque congelam na superfície dos grãos de poeira e “desaparecem” do gás.

Silvia Spezzano, líder de grupo no Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), na Alemanha, e os seus colegas identificaram duas moléculas que conseguem resistir ao frio extremo, ambas construídas com hidrogénio pesado.

As duas moléculas ocupam o mesmo gás denso: uma delas tem carga e serve para rastrear os iões; a outra é neutra e representa o restante do gás. Ao comparar o movimento de ambas, a deriva torna-se mensurável.

A deriva finalmente aparece

Para procurar o efeito, a equipa apontou um grande radiotelescópio nas montanhas de Espanha para a L1544. Em seguida, mapeou a velocidade de cada molécula em diferentes regiões do núcleo.

Nos pontos em que os dois mapas divergiam, era possível obter diretamente a diferença de velocidade entre o gás carregado e o gás neutro.

A diferença média resultou nos mesmos 0,05 km/s - equivalentes a 110 milhas por hora (aprox. 180 km/h). Como isso está perto da menor velocidade que o instrumento consegue distinguir, os pesquisadores trabalharam no limite do que os dados permitiam.

O sinal apareceu com mais força na região mais densa do núcleo, exatamente onde seria esperado que os dois gases se separassem mais.

Fechando uma brecha em medições anteriores

Buscas anteriores, na maioria, não encontraram nada conclusivo. Outros estudos chegaram a ver diferenças de velocidade, mas sem conseguir ligá-las com segurança a este processo específico.

Um trabalho separado, focado num núcleo denso chamado Barnard 5, mediu uma diferença de velocidade de magnitude semelhante. No entanto, as duas moléculas usadas como traçadoras não amostravam o mesmo gás, e por isso a deriva não pôde ser atribuída com firmeza.

Ao selecionar moléculas que acompanham o mesmo gás denso, a equipa da L1544 eliminou essa brecha. Antes deste resultado, ninguém tinha capturado de forma limpa a deriva entre iões e neutros dentro de um núcleo imediatamente antes da formação de uma estrela.

Como a poeira molda as estrelas

A interpretação também depende do comportamento da poeira. Numa nuvem jovem, a poeira aparece sob a forma de grãos minúsculos - alguns muito menores do que o comprimento de onda da luz visível. Conforme o núcleo envelhece, esses grãos aderem uns aos outros e crescem, com os menores a desaparecerem primeiro.

São justamente esses grãos mais pequenos que ajudam a acoplar o gás neutro ao campo magnético. Quando eles desaparecem, a ligação entre o gás e o campo enfraquece, e a deriva entre iões e neutros aumenta.

Novos cálculos feitos por membros da mesma equipa indicam que, depois que os grãos mais diminutos desaparecem, um núcleo pode apresentar uma deriva de cerca de 0,05 a 0,1 km/s (110 a 220 milhas por hora, aprox. 180 a 360 km/h), compatível com o que o radiotelescópio observou na L1544.

Ainda assim, os autores não conseguem excluir totalmente a possibilidade de que as duas moléculas rastreiem porções ligeiramente diferentes do gás - uma dúvida que mapas mais detalhados deverão resolver.

O campo magnético do núcleo

Essa concordância também permite estimar o campo magnético do núcleo, que fica na ordem de algumas centenas de microgauss - centenas de milhares de vezes mais fraco do que um íman de cozinha.

Esse valor coincide com uma estimativa independente, obtida a partir de como os grãos de poeira se alinham ao campo.

Em outras palavras, a deriva revela propriedades que, de outra forma, são difíceis de determinar. Num e-mail ao Earth.com, Arzoumanian disse: “Esta deriva observada fornece também informação indireta sobre a intensidade do campo magnético e sobre a distribuição de tamanhos dos grãos de poeira, ambos difíceis de restringir observacionalmente.”

Há muito tempo se debate se a poeira realmente cresce dessa maneira em núcleos frios, mas as evidências estão a aumentar.

Observações recentes com telescópios espaciais, numa nuvem próxima, encontraram grãos gelados a crescer até cerca de 0,001 mm de diâmetro muito antes de qualquer estrela se acender - cedo o suficiente para impulsionar o processo visto na L1544.

A formação estelar começa

A equipa demonstrou que é possível observar um núcleo pré-estelar no exato momento em que ele começa a aliviar o “aperto” magnético, graças à ténue deriva do gás neutro a passar pelo gás carregado.

Durante décadas, os cientistas previram essa deriva e tentaram encontrá-la repetidas vezes. Agora, ela foi medida num núcleo que ainda não formou uma estrela.

O próximo passo é investigar mais núcleos, em diferentes estágios e com mais detalhe. Assim será possível saber se o mesmo tipo de deriva aparece como regra, e não apenas como um caso isolado.

Instrumentos que estão a entrar em operação devem conseguir medir o movimento com maior nitidez e em condições mais variadas.

Entendendo as origens do Sistema Solar

O impacto vai além de uma única nuvem fria. Núcleos como estes são o ponto de partida para estrelas como o Sol e para os planetas que as acompanham.

A química extremamente fria desses ambientes constrói algumas das moléculas que mais tarde alimentam sistemas planetários jovens. E isso pode, inclusive, ligar-se às nossas próprias origens.

“Compreender o quão disseminadas são as propriedades físicas e químicas dos núcleos pré-estelares pode ajudar-nos a restringir o quão único o nosso próprio Sistema Solar e o nosso planeta Terra são”, disse Arzoumanian ao Earth.com.