Uma equipe internacional de cientistas, liderada por astrofísicos da Universidade Northwestern, detectou um tipo de estrela explosiva, ou supernova, nunca antes visto, que é rico em silício, enxofre e argônio.
Quando estrelas massivas explodem, os astrofísicos normalmente encontram fortes assinaturas de elementos leves, como hidrogênio e hélio. Mas a supernova recém-descoberta, chamada SN2021yfj, exibiu uma assinatura química surpreendentemente diferente.
Os astrônomos há muito teorizam 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 tornam-se cada vez mais pesados até chegar ao núcleo de ferro no centro.
As observações de 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, dos gigantes estelares e fornece 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 estava essencialmente despojada até o osso,” disse Steve Schulze, da Northwestern, que liderou o estudo. “Isso nos mostra como as estrelas são estruturadas e prova que elas podem perder uma quantidade significativa de material antes de explodir. Não apenas podem perder suas camadas mais externas, mas podem ser completamente despojadas até o fundo e ainda assim produzir uma explosão brilhante que podemos observar de distâncias muito, muito longas.”
“Este evento, literalmente, parece nada que alguém já viu antes,” acrescentou Adam Miller, da Northwestern, coautor sênior do estudo. “Era quase 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 restritas. Não é que nossos livros didáticos estejam incorretos, mas eles claramente não capturam completamente tudo que é produzido na natureza. Deve haver caminhos mais exóticos para uma estrela massiva terminar sua vida que não havíamos considerado.”
Um especialista nos objetos transientes mais extremos da astronomia, Schulze é pesquisador associado no Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Miller é professor assistente de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e um membro líder do CIERA e do Instituto NSF-Simons de IA para o Céu.
Uma cebola quente e ardente
Pesar entre 10 a 100 vezes mais que nosso sol, estrelas massivas são alimentadas por 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, a queima começa nas camadas externas. À medida que a estrela evolui ao longo do tempo, elementos progressivamente mais pesados são queimados no núcleo, enquanto elementos mais leves são queimados em uma série de camadas 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 geralmente soltem camadas antes de explodir, SN2021yfj ejectou 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 da envoltória externa de hidrogênio. Mas os astrofísicos nunca haviam vislumbrado nada mais profundo do que isso — sugerindo que algo extremamente violento e extraordinário deve estar em jogo.
Perseguindo uma oddidade cósmica
Schulze e sua equipe descobriram SN2021yfj em setembro de 2021, usando o acesso da Northwestern ao Zwicky Transient Facility (ZTF). Localizado a leste de San Diego, o ZTF utiliza 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 do mundo para transientes astronômicos — fenômenos fugazes como supernovas que surgem repentinamente e depois rapidamente desaparecem.
Depois de examinar os dados do ZTF, Schulze avistou um objeto extremamente lúcido 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 queria 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 imediatamente entrado em ação, a busca pelo espectro enfrentou vários obstáculos. Telescópios ao redor do mundo estavam indisponíveis ou não podiam ver através das nuvens para obter uma imagem clara. Felizmente, a equipe recebeu uma surpresa de um colega da astronomia, que coletou um espectro usando instrumentos no Observatório W.M. Keck no Havai.
“Achávamos que havíamos perdido completamente nossa oportunidade de obter essas observações,” disse Miller. “Então, fomos para a cama desapontados. Mas na manhã seguinte, um colega da UC Berkeley inesperadamente forneceu um espectro. Sem esse espectro, talvez nunca tivéssemos percebido que esta era uma explosão estranha e incomum.”
“Vimos uma explosão interessante, mas não tivemos ideia do que era,” disse Schulze sobre SN2021yfj. “Quase instantaneamente, percebemos que era algo que nunca tínhamos 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. “Assim, pudemos ver apenas o material formado nos meses que antecederam sua explosão. Algo muito violento deve ter acontecido para causar isso.”
Ainda que a causa precisa desse fenômeno continue sendo uma questão em aberto, Schulze e Miller sugerem que um processo raro e poderoso estava em ação. Eles estão explorando múltiplos cenários, incluindo interações com uma potencial estrela companheira, uma erupção pré-supernova massiva ou até mesmo ventos estelares extraordinariamente fortes.
Mas, o mais provável, a equipe supõe que esta misteriosa supernova é o resultado de uma estrela massiva, literalmente, se despedaçando. À medida que o núcleo da estrela se comprime sob sua própria gravidade, ele se torna ainda mais quente e denso. O calor e a densidade extremos então reiniciam a fusão nuclear com uma intensidade tão incrível que causa uma explosão poderosa que empurra para longe as camadas externas da estrela. Cada vez que a estrela passa por um novo episódio de instabilidade de par, o pulso correspondente joga fora mais material.
“Uma das ejeções de casca mais recentes colidiu com uma casca pré-existente, o que produziu a emissão brilhante que vimos como SN2021yfj,” disse Schulze.
“Embora tenhamos uma teoria sobre como a natureza criou essa explosão particular,” disse Miller, “eu não apostaria a 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 Fundação Nacional de Ciência. O suporte do CIERA forneceu acesso aos dados do telescópio ZTF.
