A existência de supernovas de captura de elétrons pode explicar a Nebulosa do Caranguejo.

Crédito da imagem: NASA / STSCI / J. Depasquale; Observatório Las Cumbres

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Os astrônomos podem ter finalmente descoberto evidências convincentes de um tipo elusivo de supernova, que poderia explicar uma explosão brilhante que iluminou o céu noturno da Terra há quase 1.000 anos e deu origem à bela Nebulosa do Caranguejo, descobriu um novo estudo.

Supernovas são explosões gigantes que podem ocorrer quando as estrelas morrem. Essas explosões podem ofuscar brevemente todos os outros sóis nas galáxias dessas estrelas, tornando-as visíveis na metade do universo.

Por décadas, os cientistas conheceram dois tipos principais de supernovas. Estrelas grandes, com mais de 10 vezes a massa do Sol, colapsam em seus centros quando seus núcleos queimam todo o combustível, fazendo com que as camadas externas explodam, deixando para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Em contraste, estrelas com menos de oito vezes a massa do Sol queimam ao longo do tempo para deixar um núcleo denso de cinzas conhecido como anã branca, e esses remanescentes podem puxar combustível para si próprios de estrelas companheiras até detonarem em uma explosão termonuclear.

Um tipo diferente de supernova

Impressão artística de uma estrela gigante superassintótica (esquerda) e seu núcleo (direita) composto de oxigênio (O), néon (Ne) e magnésio (Mg). Essas estrelas, com cerca de 8 a 10 massas solares, podem explodir nas chamadas supernovas de captura de elétrons. Crédito da imagem: S. Wilkinson; Observatório Las Cumbres

Estrelas entre oito e 10 massas solares deveriam teoricamente explodir de uma maneira diferente. Suas pressões internas gigantescas forçariam os elétrons a se fundir com os núcleos atômicos. Esses elétrons normalmente se repelem, então sua remoção leva a uma queda na pressão dentro da estrela. O núcleo da estrela então entra em colapso, desencadeando uma explosão das camadas circundantes e deixando para trás uma estrela de nêutrons ligeiramente mais massiva do que o sol.

O astrofísico Ken'ichi Nomoto da Universidade de Tóquio e seus colegas teorizaram pela primeira vez essas supernovas de "captura de elétrons" em 1980. Ao longo das décadas, os cientistas desenvolveram previsões do que procurar em uma supernova de captura de elétrons e em sua estrela progenitora, mas eles nunca tinha realmente confirmado uma estrela detonando dessa maneira.

Pesquisas anteriores sugeriram que supernovas de captura de elétrons poderiam ajudar a resolver um mistério de mil anos, uma supernova em 1054 DC que, de acordo com registros chineses e japoneses, era tão brilhante que podia ser vista durante o dia por 23 dias e à noite por quase dois anos. Seus remanescentes se tornaram a Nebulosa do Caranguejo. Trabalhos anteriores sugeriram que essa explosão, SN 1054, era uma supernova de captura de elétrons, mas isso era incerto em parte porque aconteceu há quase um milênio.

"SN 1054 foi um evento tão espetacular que as pessoas o gravaram em todo o mundo e preservaram os registros por 1.000 anos", disse o coautor do estudo Andy Howell, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e Las Cumbres Observatory, uma rede mundial de telescópios ópticos robóticos.

Agora, uma estrela em explosão detectada pela primeira vez em 2018 pode ser o primeiro exemplo forte de uma supernova de captura de elétrons. "Este é um marco importante em nossa compreensão da evolução estelar e da física das supernovas, quais estrelas explodem e quais não", disse o autor do estudo Daichi Hiramatsu, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e Observatório Las Cumbres.

Uma supernova elusiva encontrada 

A Nebulosa do Caranguejo vista pelo Telescópio Espacial Hubble e telescópios terrestres em uma visão composta A nebulosa é o resultado de uma supernova brilhante identificada em 1054. Crédito da imagem: NASA, ESA, NRAO / AUI / NSF e G. Dubner (Universidade de Buenos Aires)

O astrônomo amador Koichi Itagaki, no Japão, detectou a supernova SN 2018zd em março de 2018, cerca de três horas após a explosão. Pouco depois da descoberta da supernova, o co-autor do estudo Schuyler Van Dyk, pesquisador sênior do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, obteve uma imagem da supernova no Telescópio Espacial Hubble. Depois de comparar esta foto com imagens de arquivo do Telescópio Espacial Hubble tiradas anteriormente daquela área do céu, ele identificou a estrela progenitora da supernova na galáxia NGC 2146, a cerca de 31 milhões de anos-luz da Terra.

Conhecer a identidade da estrela progenitora de SN 2018zd ajudou os pesquisadores a comparar a estrela e a supernova com décadas de modelos de supernovas de captura de elétrons.

"Estou muito satisfeito que a supernova de captura de elétrons foi finalmente descoberta, que meus colegas e eu previmos que existisse", disse Nomoto, co-autor do estudo atual, em um comunicado. "Este é um caso maravilhoso de combinação de observações e teoria."

Com base em modelos de Nomoto e outros astrônomos, existem seis critérios-chave para uma estrela progenitora de uma supernova de captura de elétrons:

1. Deve possuir entre oito e 10 massas solares. Os candidatos incluem estrelas de ramos gigantes superassintóticas, isto é, antigas gigantes vermelhas inchadas, as estrelas mais largas possíveis.
2. Ela deve perder a maior parte de sua massa antes de explodir.
3. Este material de depósito deve estar principalmente na forma de hélio, carbono e nitrogênio, mas conter pouco oxigênio. "Isso tem a ver com reações de fusão muito complicadas durante a vida da estrela", bem como agitação nas camadas externas da estrela, e quais elementos das profundezas da estrela são dragados para sua superfície, disse Howell. "A estrela tem uma estrutura em camadas pouco antes de explodir, com elementos mais leves no topo dos mais pesados. A camada de oxigênio mais pesada ficaria mais abaixo."
4. A explosão deve ser relativamente fraca em comparação com outras supernovas. "A energia cinética dos gases ejetados é cerca de um décimo de outras supernovas", disse o co-autor do estudo Alex Filippenko, astrofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley.
5. A supernova deve ter pouca precipitação radioativa em comparação com outras supernovas. Por exemplo, quando se trata de níquel radioativo, o principal elemento radioativo que as supernovas produzem, as supernovas de captura de elétrons produzem apenas cerca de um décimo da quantidade de níquel radioativo de uma supernova em colapso de núcleo normal e cerca de um centésimo do níquel radioativo de uma supernova termonuclear normal, disse Filippenko.
6. O progenitor deve possuir muitos elementos ricos em nêutrons em seu núcleo.

Os cientistas descobriram que a SN 2018zd e seu progenitor correspondiam às previsões para uma supernova de captura de elétrons e sua estrela de origem. O progenitor era uma velha gigante vermelha inchada que havia derramado uma fração significativa de sua massa antes da explosão, e o gás ao redor dessa estrela tinha a composição esperada. A explosão foi relativamente fraca, produziu pouco níquel radioativo e possuía elementos ricos em nêutrons, como o níquel, em seu núcleo.

"Esse foi um dos principais componentes que nunca foram feitos para outras supernovas candidatas à captura de elétrons, eles nunca tiveram uma estrela progenitora viável identificada", disse Filippenko em um comunicado.

Os pesquisadores examinaram todos os dados publicados sobre supernovas e descobriram que, embora alguns tivessem algum desses indicadores previstos para supernovas de captura de elétrons, apenas SN 2018zd tinha todos os seis.

"Começamos perguntando 'o quanto isso é esquisito?'" Hiramatsu disse em um comunicado. "Então, examinamos todos os aspectos da SN 2018zd e percebemos que todas elas podem ser explicados no cenário de captura de elétrons."

As novas descobertas sugeriram que a SN 2018zd era semelhante a SN 1054 - em particular, um brilho muito duradouro. Isso sugere que a explosão medieval foi de fato uma supernova de captura de elétrons.

Explicando as supernovas de captura de elétrons

Supernovas de captura de elétrons geralmente têm brilhos de longa duração porque suas estrelas progenitoras normalmente perdem muita massa antes de explodir. O gás em expansão da supernova então colide com essa massa de derramamento anterior, iluminando-a. No entanto, as supernovas de captura de elétrons também desaparecem rapidamente após um platô que dura alguns meses, porque não produzem muito níquel radioativo. Portanto, elas são mais brilhantes do que as supernovas de colapso do núcleo padrão no início e, em seguida, mais fracos após alguns meses, disse Filippenko.

"O último aspecto é o que não foi levado em consideração quando a análise inicial da supernova do Caranguejo foi feita há quatro décadas", disse Filippenko. "Nosso trabalho fornece suporte adicional e mais convincente para a ideia de que a Nebulosa do Caranguejo foi produzida por uma supernova de captura de elétrons."

Melhores modelos teóricos de supernovas de captura de elétrons ainda são necessários para entender como elas se originam e evoluem ao longo do tempo.

"Um problema é que os modelos teóricos para esses eventos são bastante incertos, porque a física é muito complexa", disse Howell, que também é o líder do Global Supernova Project, uma equipe mundial de cientistas que usa dezenas de telescópios na Terra e no espaço para observar supernovas. Essas novas descobertas "fornecerão alguma orientação de observação muito necessária sobre quais soluções são realizadas na natureza", explicou ele.

Pesquisas atuais em grande escala do céu noturno podem detectar mais exemplos de supernovas de captura de elétrons, disse Filippenko.

Os astrônomos também "precisam voltar e reavaliar as supernovas mais antigas para ver se elas também podem resultar da captura de elétrons", acrescentou Howell. "Muitas outras supernovas mostram algumas das características da SN 2018zd, mas elas simplesmente não são tão extremas. Agora temos que voltar e dar uma nova olhada nos dados mais antigos."

Em suma, esse trabalho pode nos ajudar a compreender melhor as origens de nosso mundo e de nós mesmos. "Nossa massa corporal é 72% material criado em uma supernova", disse Howell. "Entender como as supernovas cozinham e expelem elementos no universo nos ajuda a entender a nós mesmos."

Os cientistas detalharam suas descobertas online em 28 de junho na revista Nature Astronomy.

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Referência: 

CHOI, Chales Q. Elusive new type of supernova, long sought by scientists, actually exists. Space, 28, 06 2021. Disponível em: <https://www.space.com/new-supernova-type-discovery>. Acesso em: 28, jun. 2021.