• Começa Com Um Estrondo

Os astrônomos não conseguem concordar sobre o que causou essa explosão extrema e literalmente 'tenha uma vaca'

AT2018cow entrou em erupção dentro ou perto de uma galáxia conhecida como CGCG 137-068, localizada a cerca de 200 milhões de anos-luz de distância na constelação de Hércules. Esta imagem ampliada mostra a localização da ‘Vaca’ na galáxia. Sua natureza ainda é debatida. (PESQUISA DO CÉU DIGITAL SLOAN)

Nosso Universo é cheio de surpresas. Este último, AT2018cow, gerou uma controvérsia entre os astrônomos.

O Universo é um lugar em constante mudança, principalmente se você olhar para ele em escalas de tempo suficientemente longas. Enquanto muitos objetos no céu noturno parecem fixos, tudo muda com o tempo. As estrelas nascem e morrem; galáxias se formam e se fundem; o Universo se expande. Mesmo em escalas de tempo humanas, muitos objetos variam em brilho, explodem ou experimentam uma interação catastrófica.

As maiores e mais rápidas mudanças são conhecidas como transientes: objetos que aparecem ou brilham aparentemente do nada, muitas vezes por um fator de muitos bilhões. Em 2018, os astrônomos identificaram um novo tipo de transiente que tinha características extraordinariamente estranhas: AT2018vaca , descoberto pelos telescópios Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS). Esta pesquisa robótica, projetada para monitorar o céu em busca de potenciais impactadores da Terra, encontrou algo que a humanidade nunca havia testemunhado antes.

Uma câmera ATLAS em sua montagem no Havaí. O telescópio de 0,5 metro de diâmetro foi construído pela DFM Engineering no Colorado. Trabalhando em conjunto, um par de câmeras escaneia todo o céu visível do Havaí a cada duas noites, procurando asteroides em seu mergulho final em direção à Terra. (ATLAS)

Em 16 de junho de 2018, os astrônomos viram um objeto em uma galáxia relativamente próxima, a apenas 200 milhões de anos-luz de distância, brilhar tremendamente, de uma maneira que nunca havia sido vista. Galáxia CGCG 137-068 , uma galáxia espiral tênue com uma barra central, hospedava um objeto transitório que surgiu a meio caminho da borda da galáxia, aparecendo ao longo de um dos braços espirais.

Mas era tão luminosa quanto 100 bilhões de sóis, tornando-a pelo menos 10 vezes mais brilhante que uma supernova normal. A matéria deixando a vizinhança estava se movendo mais rápido do que a matéria se move, mesmo no caso de uma supernova: cerca de 10% da velocidade da luz. Ele atingiu seu brilho máximo em menos tempo - apenas 2 dias - do que outros eventos semelhantes. E não apenas estava cercado por material extremamente denso, mas parecia permanecer ativo por aproximadamente 2 semanas. Como o primeiro objeto desse tipo, tem sido objeto de intenso escrutínio e estudo por astrônomos.

Embora os astrônomos não tenham certeza de que o evento transitório AT2018cow seja hospedado pela galáxia em que foi encontrado, todas as indicações são de que esta é uma explicação consistente para sua origem. Se esse fosse o caso, você esperaria que uma supernova de colapso do núcleo existisse ao longo dos braços espirais da galáxia, que é onde esse evento foi localizado. (PESQUISA DO CÉU DIGITAL SLOAN)

Quase todo mundo suspeitava que isso fosse algum tipo de supernova. Mas o brilho extremo do AT2018cow, acompanhado por seu tempo de subida sem precedentes, lançou os cientistas em um turbilhão de controvérsias. Quando a explicação convencional de uma supernova comum falhou, os astrônomos começaram a ajustar seus modelos para tentar explicar sua natureza. Ao entrarmos em 2019, temos agora um modelo líder e uma alternativa concorrente:

• Modelo principal : uma supernova de colapso de núcleo produzindo um jato energético e com um remanescente ativo.
• Alternativa concorrente : um evento de ruptura de maré (TDE) causado por uma anã branca interagindo com um buraco negro.

À medida que nos tornamos mais hábeis em cobrir todo o céu de forma quase contínua, torna-se cada vez mais importante tentar entender como até mesmo objetos bizarros e transitórios se comportam.

Duas imagens de NGC 6946: uma de 2011 e outra semelhante de 14 de maio de 2017, que mostra a nova e brilhante supernova, SN 2017eaw. Observe como a supernova ocorreu ao longo dos braços espirais desta galáxia: típico de supernovas de colapso de núcleo, que geralmente ocorrem nas regiões onde novas estrelas estão se formando. (GIANLUCA MASI / PROJETO DE TELESCÓPIO VIRTUAL / OBSERVATÓRIOS TENAGRA, LTDA)

Há uma grande rede de telescópios em todo o mundo que observam os transientes acontecerem: GROWTH (Global Relay of Observatories Watching Transients Happen). Esse conjunto global de telescópios permite que os astrônomos, uma vez que um objeto transitório seja identificado, coletem observações contínuas em vários comprimentos de onda, sem fazer pausas. Por estar tão perto e tão brilhante, conseguimos coletar mais dados desse evento do que de outros transitórios brilhantes que estavam mais distantes.

De acordo com o cientista Daniel Perley, Seja o que for, o AT2018cow provavelmente está ligado aos ‘transientes ópticos azuis rápidos’ de Pan-STARRS, Kepler e outras missões. Mas ainda é um mistério.

O evento transiente AT2018cow se parece muito com outras explosões de raios gama e transientes ópticos azuis rápidos próximos vistos por uma série de outros observatórios, e muito pouco como eventos de interrupção de maré (laranja), como mostrado no mesmo gráfico. Mas sua natureza não é completamente acordada. (R. MARGUTTI ET AL. (2018), ARQUIVO: 1810.10720)

Esses dados espectrais mostraram a presença de apenas dois elementos: hidrogênio e hélio. A ausência de assinaturas espectrais de outros elementos em abundância substancial é suficiente para descartar uma supernova de envelope despojado, onde as camadas externas de uma estrela são desviadas antes que o núcleo entre em colapso.

Uma vez que atingiu seu brilho máximo, permaneceu brilhante por um longo tempo e permanece azul (e, portanto, quente) até hoje. A incapacidade do transiente de esfriar o torna extremamente estranho.

E, finalmente, há solavancos e aumentos periódicos na quantidade total de luz desse transiente, indicando que há um objeto central e compacto se comportando como um motor.

Mas a chave para resolver esse mistério não ocorreria na porção óptica do espectro, mas no raio-X, cortesia do satélite Swift da NASA.

Os dados de raios-X do satélite Swift da NASA, exibidos ao longo do tempo, mostram vários picos que devem corresponder à presença de um motor central. É teorizado que uma estrela de nêutrons ou buraco negro está na raiz desses picos. (L. E. RIVERA SANDOVAL ET AL. (2018), MNRAS V. 480, 1, L146-L150)

A partir de 19 de junho, apenas 3 dias após a descoberta do AT2018cow, Swift observou e obteve dados ultravioleta e de raios-X desse objeto. Foi revelado que era de cor extremamente azul: mais brilhante no ultravioleta do que no óptico e ainda mais brilhante nos raios-X. Mais importante, dados espectrais foram adquiridos , revelando uma surpresa observacional: o espectro de raios-X estava cheio de picos.

Em conjunto com os espectros ópticos, que suportavam uma supernova de colapso total do núcleo, esses picos de raios-X apontavam para um cenário específico que poderia gerá-los: uma interação entre o material ejetado da supernova e o material ao redor da estrela. Os raios X de baixa energia permaneceram constantes, com um aumento nos raios X de alta energia correspondendo a outra surpresa: a presença de ferro. O ferro é um elemento-chave nas supernovas de colapso do núcleo, e é por isso que esta é a principal teoria de sua origem.

Ilustração artística (esquerda) do interior de uma estrela massiva nos estágios finais, pré-supernova, de queima de silício. (A queima de silício é onde ferro, níquel e cobalto se formam no núcleo.) Uma imagem do Chandra (à direita) da Cassiopeia Um remanescente de supernova hoje mostra elementos como Ferro (em azul), enxofre (verde) e magnésio (vermelho) . Uma supernova de colapso de núcleo semelhante, se estivesse cercada pelo material certo, poderia ser a explicação física para o AT2018cow. (NASA/CXC/M.WEISS; RAIO-X: NASA/CXC/GSFC/U.HWANG & J.LAMING)

Mas um cenário alternativo de um TDE ainda é viável. Se uma anã branca – o cadáver estelar de uma estrela parecida com o Sol – passar muito perto de um objeto muito concentrado, como um buraco negro, toda a sua estrutura poderá ser interrompida. Isso pode resultar em um brilho espetacular, uma liberação extrema de energia e uma reação de fusão descontrolada ocorrendo. Este cenário, apresentado em um jornal de 2018 , foi apresentado pela cientista Amy Lien na reunião da American Astronomical Society em janeiro em Seattle.

O cenário TDE tem uma grande vantagem sobre o cenário de supernova de colapso do núcleo: ele pode explicar a cor azul sustentada do AT2018cow, mesmo quando esfriou. Os TDEs, em geral, não esfriam muito rápido, e a cor azul constante que exibe resfriamento limitado se encaixa muito bem com essa explicação.

Como Lien disse naquela reunião,

Achamos que uma perturbação das marés criou a explosão de luz rápida e realmente incomum no início do evento e explica melhor as observações de vários comprimentos de onda de Swift à medida que se desvaneceu nos próximos meses.

Mas é aí que os pontos positivos terminam. Todos os pontos restantes em um cenário TDE apresentam enormes dificuldades.

Um buraco negro é famoso por absorver matéria e ter um horizonte de eventos do qual nada pode escapar, e por canibalizar seus vizinhos. Os eventos de perturbação das marés, como quando uma anã branca passa perto de um buraco negro, podem gerar muitos fenômenos interessantes, alguns dos quais são vistos no AT2018cow. (RAIO X: NASA/CXC/UNH/D.LIN ET AL, ÓPTICO: CFHT, ILUSTRAÇÃO: NASA/CXC/M.WEISS)

Por um lado, isso teria que ser uma anã branca de massa extremamente baixa: de 0,4 massas solares ou menos. A única maneira de criar uma anã branca como essa é ter uma companheira binária drenando as camadas externas de uma estrela, deixando apenas hélio para trás para se condensar no objeto colapsado. Mas nenhum companheiro foi interrompido, ou mesmo detectado de alguma forma.

Mas o hidrogênio também estava presente, indicando que teria que ser uma anã branca ainda mais rara: uma anã de hélio com um envelope de hidrogênio. Apenas alguns destes já foram descobertos.

O fato de o evento ter ocorrido a cerca de 5.500 anos-luz do centro galáctico também é incomum e indica que ele teria que ser interrompido por um buraco negro de massa intermediária, como aqueles que teoricamente estariam nos centros de aglomerados globulares.

E finalmente, os únicos TDEs conhecidos que têm ferro neles , necessário para os espectros de raios-X, deve ser originário de material acumulado de outros corpos. O ferro, tanto na teoria quanto na prática, não pode ser divorciado dos outros elementos, mas apenas hidrogênio e hélio foram vistos nos espectros do AT2018cow.

Astrônomos usando observatórios terrestres capturaram a progressão de um evento cósmico apelidado de Vaca, como visto nessas três imagens. À medida que atingiu o pico de brilho (centro) e desapareceu (à direita), uma grande quantidade de dados permitiu aos astrônomos determinar sua provável origem baseada em supernova, mas uma explicação concorrente de um TDE não foi descartada. (DANIEL PERLEY, LIVERPOOL JOHN MOORES UNIVERSITY)

Mas o AT2018cow foi observado não apenas na porção óptica do espectro e em energias mais altas, mas também em energias mais baixas. Usando observações de ondas de rádio na porção milimétrica do espectro, os cientistas viram um aumento acentuado no fluxo proveniente desse transiente. Mais importante, não houve uma única liberação de energia que desapareceu, mas vários picos e saltos foram vistos, indicando que havia energia sendo produzida continuamente.

A única maneira de ter uma produção sustentada de energia é ter um motor acionando o evento. Uma estrela de nêutrons ou buraco negro poderia fazê-lo, e esses são produzidos por supernovas de colapso de núcleo; no entanto, um TDE não pode. Na extremidade mais energética do espectro de raios-X, também vimos um pico (em forma de corcova nos espectros) de fótons energéticos, que são comuns em torno de buracos negros. Esse recurso seria muito mais difícil de explicar com um TDE.

O principal cenário para o que poderia ter causado o estranho evento transitório AT2018cow é uma supernova de colapso de núcleo interagindo com uma nuvem esférica de matéria previamente expelida pela estrela. O motor central que o alimenta, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, parece ser necessário para explicar os picos de energia duradouros. (BILL SAXTON, NRAO/AUI/NSF)

Se o cenário principal estiver correto, isso marcaria a primeira vez que os astrônomos testemunharam o nascimento de um motor estelar resultante da supernova de uma estrela pré-existente. Embora remanescentes de tais eventos de colapso do núcleo, como estrelas de nêutrons e buracos negros, tenham sido vistos antes, nunca fomos capazes de detectar sua presença no próprio evento da supernova. O evento AT2018cow, se originou-se de uma supernova, pode marcar a primeira vez que conseguimos tal detecção.

Ainda assim, nem todos estão convencidos pela explicação da supernova. Embora seus defensores sejam a minoria, e seja preciso um cenário bastante artificial para chegar lá, os eventos de ruptura das marés são reais, e a configuração correta pode criar algo extremamente semelhante a uma supernova incomum de colapso de núcleo. Como sempre, serão necessários mais eventos como este, observados com alta precisão, para entender o que realmente está em jogo em nosso Universo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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