O nascimento das estrelas simulado com detalhes sem precedentes

Uma equipe de teóricos do Departamento de Astrofísica (DAP) do CEA, trabalhando no Laboratório de Modelagem dos Plasmas Astrofísicos (LMPA), realizou simulações usando os supercomputadores do CEA para entender a formação de estrelas e discos protoplanetários. Meses de cálculos permitiram alcançar resoluções nunca antes atingidas, revelando novos detalhes sobre a formação desses objetos.


Essas simulações trazem dois resultados principais: as protoestrelas são turbulentas desde o nascimento e os discos protoplanetários se formam a partir do material ejetado pela superfície da estrela.

Esses resultados foram publicados no jornal Astronomy & Astrophysics: The birth and early evolution of a low-mass protostar e Formation of low-mass protostars and their circumstellar disks.

A importância das simulações numéricas

Em nossa galáxia, muitas nuvens de poeira e gás colapsam sob a força da gravidade, desencadeando o fenômeno de formação estelar. O disco de gás e poeira ao redor das estrelas jovens, chamado "disco protoplanetário" (ver Figura 1), dará posteriormente origem aos planetas.

Compreender a evolução desses fenômenos nos esclarece sobre a formação do nosso próprio sistema solar, da Terra e sobre o surgimento da vida no Universo.

Infelizmente, é muito difícil observar o nascimento de estrelas e planetas, pois a grande quantidade de poeira em que estrelas jovens estão imersas esconde uma grande parte de sua luz. Consequentemente, a observação de sua formação permanece difícil, mesmo com telescópios poderosos como o James Webb Space Telescope (JWST), ao qual o CEA contribuiu.

Por isso, os astrofísicos utilizam supercomputadores para realizar simulações numéricas muito complexas, que tentam reproduzir esses fenômenos com base nas leis da física.

Essas simulações são, no entanto, muito demoradas. Realizar uma simulação que descreva o colapso da nuvem e o primeiro ano e meio após o nascimento das protoestrelas requer três meses de cálculos.

Formação das estrelas

Em um primeiro estudo, as simulações demonstraram que as estrelas são turbulentas desde o nascimento (ver Figura 2), o que contraria as crenças anteriores dos pesquisadores.

De fato, pensava-se que a turbulência nas estrelas era desencadeada quando a fusão nuclear começava na sua região central (cerca de 100.000 anos após o nascimento). Graças à altíssima resolução das simulações, os pesquisadores perceberam que uma instabilidade na superfície da estrela poderia gerar movimentos turbulentos em grande escala quando a estrela acumula o gás circundante.

Isso terá consequências na evolução das estrelas e permite fazer novas perguntas sobre a origem de seus campos magnéticos, que necessitam desses movimentos turbulentos para acionar uma dínamo.

Formação de discos protoplanetários

Em um segundo estudo, a equipe considerou os efeitos da rotação na nuvem inicial para estudar o nascimento dos discos protoplanetários juntamente com a estrela (ver Figura 3).

Pela primeira vez, as simulações mostraram que os discos se formam a partir de gás ejetado pela superfície da estrela. De fato, a protoestrela gira tão rapidamente no nascimento que parte de seu gás atinge a velocidade de ruptura, ou seja, a velocidade na qual a força centrífuga se torna tão alta que a gravidade da estrela não consegue mais conter o gás.

Isso muda consideravelmente o paradigma de formação dos discos, que até agora eram estudados independentemente da estrela devido às limitações de tempo de cálculo.

As próximas simulações

A equipe de pesquisadores já está realizando novas simulações considerando o campo magnético na nuvem. Isso permitirá estudar a origem dos campos magnéticos nas estrelas e como eles influenciam a interação entre a estrela e o disco.