Uma equipe internacional de cientistas, liderada por astrofísicos da Universidade Northwestern, detectou um tipo de estrela explosiva, ou supernova, nunca antes visto, que é rica em silício, enxofre e argônio.
Quando estrelas massivas explodem, os astrofísicos normalmente encontram assinaturas fortes de elementos leves, como hidrogênio e hélio. No entanto, a nova supernova descoberta, chamada SN2021yfj, exibiu uma assinatura química surpreendentemente diferente.
Os astrônomos há muito teorizaram que estrelas massivas têm uma estrutura em camadas, semelhante a uma cebola. As camadas externas são predominantemente compostas pelos elementos mais leves. À medida que as camadas se movem para o interior, os elementos se tornam progressivamente mais pesados até chegarem ao núcleo de ferro na parte mais interna.
As observações da SN2021yfj sugerem que a estrela massiva de alguma forma perdeu suas camadas externas de hidrogênio, hélio e carbono, expondo as camadas internas ricas em silício e enxofre, antes de explodir. Essa descoberta oferece evidências diretas da estrutura em camadas, há muito teorizada, de gigantes estelares e proporciona uma visão sem precedentes do interior profundo de uma estrela massiva, momentos antes de sua morte explosiva.
O estudo foi publicado em 20 de agosto na revista Nature.
“Esta é a primeira vez que vemos uma estrela que foi basicamente despida até o osso”, disse Steve Schulze, da Northwestern, que liderou o estudo. “Isso nos mostra como as estrelas são estruturadas e prova que as estrelas podem perder muita matéria antes de explodirem. Não apenas podem perder suas camadas externas, mas também podem ser completamente despidas e ainda assim produzir uma explosão brilhante que podemos observar de distâncias muito, muito grandes.”
“Este evento parece literalmente nada que alguém já tenha visto antes”, acrescentou Adam Miller, da Northwestern, um dos autores principais do estudo. “Era tão estranho que pensamos que talvez não tivéssemos observado o objeto correto. Esta estrela está nos dizendo que nossas ideias e teorias sobre como as estrelas evoluem são muito estreitas. Não é que nossos livros didáticos estejam incorretos, mas eles claramente não capturam totalmente tudo o que é produzido na natureza. Deve haver caminhos mais exóticos para uma estrela massiva terminar sua vida que não haviam sido considerados por nós.”
Schulze, um especialista em objetos transitórios mais extremos da astronomia, é um pesquisador associado do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Miller é professor assistente de física e astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e um membro de destaque do CIERA e do NSF-Simons AI Institute for the Sky.
Uma cebola quente e ardente
Pesar entre 10 a 100 vezes mais que nosso sol, estrelas massivas são alimentadas pela fusão nuclear. Nesse processo, a intensa pressão e o calor extremo no núcleo estelar fazem com que elementos mais leves se fundam, gerando elementos mais pesados. Quando a temperatura e a densidade aumentam no núcleo, o queima começa nas camadas externas. À medida que a estrela evolui ao longo do tempo, elementos sucessivamente mais pesados são queimados no núcleo, enquanto elementos mais leves são queimados em uma série de conchas ao redor do núcleo. Esse processo continua, levando eventualmente a um núcleo de ferro. Quando o núcleo de ferro colapsa, ele desencadeia uma supernova ou forma um buraco negro.
Embora estrelas massivas normalmente eliminem camadas antes de explodir, a SN2021yfj ejetou muito mais material do que os cientistas haviam detectado anteriormente. Outras observações de “estrelas despojadas” revelaram camadas de hélio ou carbono e oxigênio – expostas após a perda do envelope de hidrogênio externo. Mas os astrofísicos nunca haviam vislumbrado nada mais profundo que isso – sugerindo que algo extremamente violento e extraordinário deve estar em jogo.
Perseguindo uma oddidade cósmica
Schulze e sua equipe descobriram a SN2021yfj em setembro de 2021, utilizando o acesso da Northwestern ao Zwicky Transient Facility (ZTF). Localizado a leste de San Diego, o ZTF usa uma câmera de campo amplo para escanear todo o céu visível à noite. Desde seu lançamento, o ZTF se tornou o principal motor de descoberta mundial de transientes astronômicos – fenômenos efêmeros como supernovas que surgem repentinamente e depois desaparecem rapidamente.
Depois de analisar os dados do ZTF, Schulze avistou um objeto extremamente luminoso em uma região de formação estelar localizada a 2,2 bilhões de anos-luz da Terra.
Para obter mais informações sobre o objeto misterioso, a equipe quis obter seu espectro, que decompõe a luz dispersa em cores componentes. Cada cor representa um elemento diferente. Assim, ao analisar o espectro de uma supernova, os cientistas podem descobrir quais elementos estão presentes na explosão.
Embora Schulze tenha agido rapidamente, sua busca pelo espectro encontrou múltiplos obstáculos. Telescópios ao redor do mundo estavam indisponíveis ou não conseguiam ver através das nuvens para obter uma imagem clara. Felizmente, a equipe recebeu uma surpresa de um colega da astronomia, que conseguiu um espectro usando instrumentos no Observatório W.M. Keck no Havai.
“Pensávamos que tínhamos perdido completamente nossa oportunidade de obter essas observações”, disse Miller. “Então, fomos dormir desapontados. Mas na manhã seguinte, um colega da UC Berkeley inesperadamente forneceu um espectro. Sem esse espectro, talvez nunca tivéssemos percebido que essa era uma explosão estranha e incomum.”
“Vimos uma explosão interessante, mas não tínhamos ideia do que era”, disse Schulze sobre a SN2021yfj. “Quase instantaneamente, percebemos que era algo que nunca havíamos visto antes, então precisávamos estudá-la com todos os recursos disponíveis.”
‘Algo muito violento deve ter acontecido’
Em vez de hélio típico, carbono, nitrogênio e oxigênio – encontrados em outras supernovas despojadas – o espectro foi dominado por sinais fortes de silício, enxofre e argônio. A fusão nuclear produz esses elementos mais pesados no interior profundo de uma estrela massiva durante seus estágios finais de vida.
“Esta estrela perdeu a maior parte do material que produziu ao longo de sua vida”, disse Schulze. “Então, só podíamos ver o material formado nos meses que antecederam sua explosão. Algo muito violento deve ter acontecido para causar isso.”
Embora a causa precisa desse fenômeno permaneça uma questão em aberto, Schulze e Miller propõem que um processo raro e poderoso estava em andamento. Eles estão explorando múltiplos cenários, incluindo interações com uma estrela companheira potencial, uma erupção pré-supernova maciça ou até mesmo ventos estelares extraordinariamente fortes.
Mas, mais provavelmente, a equipe sugere que essa supernova misteriosa é o resultado de uma estrela massiva literalmente se desintegrando. À medida que o núcleo da estrela se comprime sob sua própria gravidade, ele se torna ainda mais quente e denso. O extremo calor e densidade então reiniciam a fusão nuclear com uma intensidade tão incrível que provoca uma explosão de energia poderosa que empurra as camadas externas da estrela. Cada vez que a estrela passa por um novo episódio de instabilidade de par, o correspondente pulso ejetará mais material.
“Uma das mais recentes ejeções de concha colidiu com uma concha pré-existente, o que produziu a emissão brilhante que vimos como SN2021yfj”, disse Schulze.
“Enquanto temos uma teoria de como a natureza criou essa explosão em particular,” disse Miller, “eu não apostaria minha vida que está correta, porque ainda temos apenas um exemplo descoberto. Esta estrela realmente sublinha a necessidade de descobrir mais dessas supernovas raras para entender melhor sua natureza e como se formam.”
O estudo, “Supernova extremamente despojada revela um local de formação de silício e enxofre,” foi apoiado pela National Science Foundation. O apoio do CIERA proporcionou acesso aos dados do telescópio ZTF.
