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Brilhante nova supernova quebra recordes cósmicos de brilho, energia e até massa

Muitos eventos transitórios estranhos, como o AT2018cow, envolvem uma combinação de algum tipo de supernova interagindo com uma nuvem esférica de matéria previamente expelida pela estrela ou existente no material circundante em torno de uma explosão central. A mais nova supernova superluminosa, SN2016aps, é fascinantemente diferente de tudo que veio antes. (BILL SAXTON, NRAO/AUI/NSF)

Como uma supernova fica tão brilhante, tão energética e tão massiva? É um mistério espetacular para resolver.

Em 22 de fevereiro de 2016, um dos telescópios automatizados de varredura do céu da humanidade - o Pesquisa Pan-STARRS para Transientes — relatou um novo sinal brilhante aparecendo no céu, um pouco acima do limiar da luz visível para o infravermelho. Foi imediatamente curioso porque vinha de uma região vazia do céu: onde não se conheciam estrelas ou galáxias, o que significa que se havia uma galáxia lá fora, era tão fraca e distante que ainda não a tínhamos descoberto.

Após mais de 3 anos de análise de acompanhamento, cientistas finalmente revelaram o que deve ter ocorrido : a supernova mais brilhante e energética que a humanidade já viu. De acordo com um novo artigo publicado em 13 de abril de 2020 na Nature Astronomy , isso provavelmente surgiu de uma das estrelas mais massivas de todo o Universo, talvez a mais massiva que já observamos como supernova. No interior, contém uma pista para a primeira de todas as supernovas: as que surgem das primeiras estrelas do Universo.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. Nosso Sol é uma estrela da classe G, produzindo luz com uma temperatura efetiva de cerca de 5800 K e um brilho de 1 luminosidade solar. As estrelas podem ter uma massa tão baixa quanto 8% da massa do nosso Sol, onde queimarão com ~ 0,01% do brilho do nosso Sol e viverão mais de 1000 vezes mais, mas também podem aumentar centenas de vezes a massa do nosso Sol , com milhões de vezes a luminosidade do nosso Sol e tempos de vida de apenas alguns milhões de anos. A primeira geração de estrelas deve consistir quase exclusivamente de estrelas do tipo O e do tipo B, e pode conter estrelas com mais de 1.000 vezes a massa do nosso Sol. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB, ADIÇÕES DE E. SIEGEL)

Em geral, existem duas maneiras de fazer uma supernova. Sempre que uma estrela nasce, ela começa com uma certa quantidade de massa, e essa massa normalmente determina seu destino. Qualquer:

• nasce com entre 8% e 40% da massa do Sol, caso em que queimará lentamente hidrogênio e depois se contrairá e desaparecerá, tornando-se uma anã branca de hélio,
• ou nasce com entre 40% e cerca de 800% da massa do Sol, onde queimará seu hidrogênio, se tornará uma gigante vermelha que queima hélio e, em seguida, explodirá suavemente suas camadas externas e se contrairá em carbono e oxigênio anã branca,
• ou nasce com 8 vezes (ou mais) a massa do Sol, caso em que queimará hidrogênio, hélio, carbono, oxigênio, etc., até que seu núcleo imploda e desmorone, desencadeando uma reação descontrolada e uma explosão de supernova.

As que se tornam anãs brancas, se a anã branca acumular matéria suficiente ou se fundir com outra anã branca, terão uma segunda chance de se tornarem supernovas também.

Qualquer que seja o cataclismo ocorrido no centro desse material ejetado massivo de material circunstelar, ele deve produzir energia suficiente, corresponder ao espectro observado e reproduzir a curva de luz de supernovas superluminosas para ser responsável pelo que vimos. As supernovas podem ocorrer de várias formas, mas as propriedades observáveis ​​variam tremendamente de tipo para tipo. (ISTOCK)

Existem algumas coisas que todas as supernovas têm em comum. Todos eles envolvem reações de fusão descontroladas, onde elementos mais leves são fundidos em mais pesados, criando uma grande fração de muitos dos elementos mais pesados ​​da tabela periódica encontrados em todo o Universo. Normalmente, eles brilham, atingem um pico de brilho e depois caem, com seu brilho dependente em grande parte de quão longe eles estão de nós.

Os que surgem de anãs brancas, em particular, obedecem a um padrão padrão, o que significa que, se observarmos como esse brilho aumenta, atinge o pico e diminui, podemos aprender a que distância esse objeto deve estar. Esta é a ideia astronômica de uma vela padrão, onde se soubermos quão brilhante algo é intrinsecamente (digamos, de sua curva de luz) e quanto sua luz é desviada da expansão do Universo (digamos, de seu redshift), podemos determinar como longe está. Esta é uma das principais pistas que descobrimos para descobrir do que o Universo é feito e como sua expansão evoluiu ao longo do tempo.

As velas padrão são ótimas para inferir distâncias com base no brilho medido, mas apenas se você estiver confiante no brilho intrínseco da vela e no ambiente não poluído entre você e a fonte de luz. (NASA/JPL-CALTECH)

As supernovas típicas irradiam apenas cerca de 1% de sua energia em luz visível e normalmente emitem uma energia total de explosão equivalente à que o Sol emite ao longo de sua vida útil de ~ 10 bilhões de anos. Isso é impressionante, com certeza, e representa uma das maneiras mais energéticas pelas quais uma estrela pode enfrentar sua morte. Mas de vez em quando surge uma supernova que nos surpreende em termos de brilho e energia: uma que é uma exceção cósmica.

Especificamente, aqueles que são ainda mais brilhantes e mais energéticos do que esses cataclismos cósmicos típicos são conhecidos como supernovas superluminosas, com muitas ideias sobre o que os causa. Poderiam ser estrelas muito massivas que expelem material e, então, quando a supernova ocorre, a onda de choque colide com esse material? Esse é um cenário que parece se alinhar com Eta Carinae, o impostor de supernova mais famoso que já vimos.

O 'impostor de supernova' do século 19 precipitou uma erupção gigantesca, expelindo material equivalente a muitos sóis no meio interestelar de Eta Carinae. A própria estrela ainda se transformará em supernovas em algum momento, e é possível que o material ejetado possa desempenhar um papel crucial na determinação da luminosidade da eventual supernova. (NASA, ESA, N. SMITH (UNIVERSIDADE DO ARIZONA) E J. MORSE (INSTITUTO BOLDLYGO))

Por outro lado, existe a ideia de que as supernovas superluminosas surgem do mecanismo de instabilidade de pares. Em geral, quanto mais massiva é a sua estrela, mais quente fica a temperatura do núcleo à medida que a estrela evolui. Além de um certo limite, as energias aumentam tanto que as colisões entre fótons individuais e partículas carregam energia suficiente para que possam produzir espontaneamente novos pares partícula-antipartícula, especificamente de elétrons e pósitrons, por meio de Einstein. E = mc² .

Quando esse limiar de energia é ultrapassado, alguns desses fótons energéticos são convertidos em matéria (e antimatéria), fazendo com que a pressão interna da radiação caia. Isso leva o núcleo a se contrair e aquecer ainda mais, o que faz com que mais fótons se convertam em matéria (e antimatéria) e assim por diante. Eventualmente, ocorre uma reação de fusão descontrolada, destruindo toda a estrela em uma enorme explosão.

Este diagrama ilustra o processo de produção de pares que os astrônomos pensavam ter desencadeado o evento de hipernova conhecido como SN 2006gy. Quando fótons de energia alta o suficiente são produzidos, eles criam pares elétron/pósitron, causando uma queda de pressão e uma reação descontrolada que destrói a estrela. Este evento é conhecido como uma supernova de instabilidade de pares. A luminosidade máxima de uma hipernova, também conhecida como supernova superluminosa, é muitas vezes maior do que a de qualquer outra supernova “normal”. (NASA/CXC/M. WEISS)

Em janeiro de 2020, saiu um jornal , demonstrando que o mecanismo de instabilidade do par não pode explicar as curvas de luz reais observadas de supernovas superluminosas . Em vez disso, eles perceberam que o material ejetado anteriormente poderia ter encoberto dois núcleos estelares, que então se fundiram para produzir uma supernova. Isso explicaria as supernovas superluminosas anteriores, como SN2006gy.

Agora, por outro lado, uma nova supernova superluminosa (SN2016aps) surge e sopra todo o resto para fora da água. Com base na luz que observamos e na distância de sua fraca galáxia hospedeira que foi determinada mais tarde, a 3,6 bilhões de anos-luz de distância, vimos algo sem precedentes: um evento tão brilhante que irradiou mais de 500 vezes a energia das supernovas típicas anteriores. Nenhuma supernova, nem mesmo qualquer supernova superluminosa anterior, jamais se igualou a isso.

As supernovas mais luminosas já vistas, todas plotadas juntas. Observe a curva de luz vermelha superior, que representa SN2016aps, e quão mais brilhante ela é (o eixo y está em uma escala logarítmica) do que todas as outras supernovas superluminosas já vistas. (M. NICHOLL ET AL. (2020), ASTRONOMIA DA NATUREZA 187)

Você pode se perguntar, muito razoavelmente, se pode ser um tipo diferente de evento transitório. Afinal, existem todos os tipos de cataclismos bizarros que ocorrem quando as estrelas morrem . Existem eventos de ruptura das marés, onde as estrelas são dilaceradas por efeitos gravitacionais. Existem buracos negros supermassivos que se ativam subitamente nos centros das galáxias, emitindo enormes jatos de radiação. E há quilonovas, formadas a partir da fusão de estrelas de nêutrons.

Este é claramente nenhum desses. Há claramente uma explosão hiperenergética acontecendo de uma só vez, desfavorecendo as perturbações das marés. Está deslocado do centro de sua galáxia fraca e de baixa massa, indicando que não é acreção em um buraco negro supermassivo. Desapareceu muito lentamente e continha muito hidrogênio, eliminando a possibilidade de kilonova. Tudo o que resta, com base nos dados (incluindo o espectro de luz), é que esta é uma supernova superluminosa, mas mais brilhante do que nunca.

Todas as simulações que reproduzem as propriedades observadas do SN2016aps contam com uma grande quantidade de ejeção de hidrogênio, um grande núcleo de hélio e uma explosão cataclísmica maciça. Mesmo assim, alguns processos ultra-raros precisam estar em jogo, permitindo uma supernova pulsante de instabilidade de pares com um núcleo magnetar ou uma instabilidade de pares padrão como parte de um sistema multi-estrela massivo. (M. NICHOLL ET AL. (2020), ASTRONOMIA DA NATUREZA 187)

Com base no que observaram, os 17 cientistas envolvidos no estudo então foram e simulei que tipo de explosão cataclísmica poderia reproduzir as várias características que eles observaram, e chegaram a uma conclusão chocante. Isso pode ser modelado com uma supernova superluminosa, mas apenas se for maior do que qualquer coisa já vista antes. Em particular:

1. precisa haver uma enorme quantidade de massa recentemente ejetada (décadas ou séculos, no máximo, antes): pelo menos dezenas de massas solares de material,
2. a massa do núcleo da estrela também deve ser enorme: mais de 50 massas solares de material mais pesado que o hidrogênio precisavam estar no núcleo antes que a explosão acontecesse,
3. e a própria supernova deve ter ejetado uma enorme quantidade de matéria com uma rapidez incrível: novamente, pelo menos dezenas de massas solares de material, a velocidades em torno de 6.000 km/s, ou 2% da velocidade da luz.

A estrela ultramassiva Wolf-Rayet 124, mostrada com sua nebulosa circundante, é uma das milhares de estrelas da Via Láctea que podem ser a próxima supernova da nossa galáxia. Observe a quantidade extraordinária de material ejetado ao seu redor, o que poderia fornecer um ambiente semelhante ao que leva ao raro tipo de supernova superluminosa observada recentemente. (ARQUIVO HUBBLE LEGADO / A. MOFFAT / JUDY SCHMIDT)

Agora, aqui é onde as coisas ficam realmente fascinantes. Em primeiro lugar, todos os cenários que recriam essas condições exigem gigantes massivos de estrelas: estrelas de 100 massas solares ou quantidades ainda maiores. Depois disso, os autores encontram duas maneiras de reproduzir algo tão brilhante. Uma maneira é fazer com que uma estrela tenha um enorme evento disruptivo seguido por uma supernova pulsante de instabilidade de pares, resultando em um magnetar girando rapidamente em seu núcleo. Estes são eventos excepcionalmente raros; os autores estimam que apenas 1 em 10.000 supernovas de colapso do núcleo podem acabar dessa maneira.

Mas você poderia ter um sistema massivo de várias estrelas, onde uma das estrelas sofre uma supernova de instabilidade de pares, mas o outro membro fornece o material circunstelar. Isso deve ser ainda mais raro – talvez um evento de 1 em 50.000 – mas temos ambientes com esses sistemas multi-estrelas massivos conhecidos por nós bem ao lado: na Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães.

A gigantesca região de formação de estrelas 30 doradus na nebulosa Tarântula, rica em gás. As estrelas mais massivas conhecidas pela humanidade podem ser encontradas no aglomerado central destacado à direita, com R136a1 chegando a ~260 massas solares. Muitos sistemas e componentes multi-estrelas podem ser encontrados na porção central do aglomerado, incluindo dezenas de estrelas com massas superiores a 50 massas solares. (ESO/P. CROWTHER/C.J. EVANS)

Apenas talvez uma dúzia de supernovas superluminosas já foram observadas, e esta leva o bolo no que diz respeito ao seu brilho absoluto. Em termos de brilho, energia e massa inferida da estrela progenitora – cuja estimativa de melhor ajuste é mais de 150 vezes a massa do nosso Sol – nenhuma outra supernova já vista pode competir. Realmente existem explosões estelares tão energéticas que superam qualquer coisa já vista antes.

Ainda há muito a aprender sobre essas classes de objetos: se seus reflexos são radioativos, quão massivos são seus progenitores, se eles vêm de sistemas de uma ou várias estrelas e com que frequência ocorrem. Com o Observatório Vera Rubin e o Telescópio Espacial James Webb entrando em operação em breve, poderemos detectar, classificar e medir espectroscopicamente esses objetos mais da metade do caminho para a borda do Universo observável. Acabamos de ver a ponta do iceberg e, no final desta década, realmente descobriremos o que está abaixo da superfície do nosso oceano cósmico.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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