• Começa com um estrondo

Finalmente: astrônomos pegam uma estrela comendo seu planeta mais interno

Muitos planetas acabarão sendo devorados por sua estrela-mãe. Pela primeira vez, pegamos uma estrela em flagrante comendo seu planeta mais interno!

Principais conclusões

• À medida que as estrelas queimam o combustível em seus núcleos, elas se expandem e evoluem: tornando-se subgigantes e, eventualmente, verdadeiras gigantes vermelhas, expandindo-se até mais de 100 vezes seu tamanho inicial.
• Isso mostra uma imagem terrível para seus planetas em órbita mais interna, já que muitos deles serão eventualmente devorados por sua estrela-mãe em expansão.
• Pela primeira vez, os astrônomos pegaram por acaso uma estrela em flagrante: comendo seu planeta mais interno. Aqui está o que aprendemos e a ciência que nos levou até lá.

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Se você observar o Universo de perto o suficiente, com visões de campo amplo e por períodos de tempo suficientemente longos, até mesmo as ocorrências cósmicas mais raras acabarão sendo pegas em flagrante. Nos primórdios da astronomia, as estrelas no céu noturno pareciam estáticas e imutáveis, com raras exceções. Quando começamos a observar e registrar o cosmos mais de perto, várias mudanças sutis foram observadas.

• Algumas estrelas brilhavam temporariamente por um breve período de tempo, antes de voltarem ao seu brilho original: uma nova clássica.
• Outras estrelas brilhavam e desbotavam periodicamente: os primeiros exemplos de estrelas variáveis, agora conhecidas por serem comuns em todo o Universo.
• E em ocasiões muito raras, um novo ponto de luz aparecia dramaticamente, brilhando incrivelmente antes de desaparecer ao longo de semanas, meses ou até anos: uma explosão de supernova.

Ao longo do tempo, foram observados maiores números, tipos e variedades desses fenômenos: eventos transitórios, onde objetos no céu noturno são vistos mudando com o tempo.

Um tipo de evento transitório que deve ocorrer seria quando uma estrela semelhante ao Sol começa a ficar sem combustível no núcleo, expandindo e inchando muitas vezes seu tamanho original à medida que evolui. Eventualmente, o planeta mais interno entraria em contato com a fotosfera da estrela, fazendo com que fosse totalmente devorado. Pela primeira vez, os astrônomos descobriram exatamente esse comportamento em ação: uma estrela pega devorando seu planeta mais próximo . Aqui está a história notável de como o encontramos, além do que ele nos ensinou sobre o destino final do nosso próprio Sistema Solar.

À medida que o Sol se torna um verdadeiro gigante vermelho, a própria Terra pode ser engolida ou engolfada, mas definitivamente será assada como nunca antes. No entanto, resta saber se algum dos efeitos de engolir Mercúrio, Vênus ou mesmo possivelmente a Terra será perceptível por uma civilização alienígena distante.

Se você deseja procurar um tipo específico de evento, como uma estrela devorando um planeta que a orbita, não pode simplesmente construir um único observatório para sair e procurá-lo. O Universo é um lugar muito confuso para isso; muitos objetos vão brilhar e escurecer com o tempo, e não importa em que comprimento de onda de luz você olhe - não importa para onde você olhe ou por quanto tempo - ninguém, uma única observação revelará inequivocamente como é quando uma estrela devora um planeta.

Felizmente, não dependemos de apenas uma única observação, ou mesmo de um único observatório, para entender o que acontece em algum lugar do Universo. Temos uma combinação de observatórios, monitorando diferentes partes do céu em diferentes momentos e em diferentes comprimentos de onda, incluindo alguns observatórios que observam (quase) todo o céu repetidas vezes, que usamos juntos para reconstruir o que acontece.

Também temos uma compreensão teórica substancialmente impressionante de como muitos fenômenos físicos diferentes funcionam e um registro observacional de muitas classes de objetos que servem como exemplos “clássicos” de como esses fenômenos se parecem. É sintetizando todo esse conhecimento de forma coerente que conseguimos chegar às fronteiras modernas do nosso conhecimento científico, e isso nos permite dar os próximos gigantescos passos à frente.

O Telescópio Samuel Oschin de 48 polegadas no Monte Palomar é de onde o Zwicky Transient Facility (ZTF) obtém seus dados. Embora seja um telescópio de apenas 48″ (1,3 metros), seu amplo campo de visão e rápida velocidade de observação permite descobrir mudanças ópticas no céu noturno que praticamente nenhum outro observatório consegue encontrar.

No passado recente, identificamos toda uma classe de novos objetos transitórios exatamente por meio dessa abordagem: combinando nosso conhecimento teórico com um conjunto de observações de vários comprimentos de onda. No óptico, temos observatórios de todo o céu (ou quase todo o céu) que examinam o céu regularmente, procurando por mudanças periódicas. Estes incluem telescópios como Pan-STARRS no Havaí e no Instalação transitória de Zwicky no Observatório Palomar. Em outros comprimentos de onda de luz, temos o olhos infravermelhos de NEOWISE no espaço e visualizações de raios-X e raios gama de observatórios como Rápido , COMPREENSIVO e fermi .

A combinação dessas diferentes visões do céu, incluindo o fato de que todo o céu é regular e periodicamente coberto por esses observatórios, nos ajudou a reconstruir uma série de novas classes de eventos. Esses incluem:

• eventos de perturbação das marés, onde as estrelas são dilaceradas por passarem muito perto de um buraco negro,
• supernovas encapsuladas, também conhecidas como Eventos do tipo COW ,
• duas estrelas se fundindo, onde a estrela maior inclui a menor,
• rajadas de raios gama,
• e até explosões ou explosões provenientes de buracos negros supermassivos nos centros de galáxias ativas.

É verdadeiramente um universo dinâmico e mutável em que vivemos.

Em 14 de setembro de 2013, os astrônomos captaram a maior explosão de raios-X já detectada do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, conhecido como Sagitário A*. Nos raios X, nenhum horizonte de eventos é visível nessas resoluções; a “luz” é puramente semelhante a um disco. No entanto, podemos ter certeza de que apenas a matéria que permanece fora do horizonte de eventos gera luz; a matéria que passa por ele é adicionada à massa do buraco negro, inevitavelmente caindo na singularidade central do buraco negro. Muitos tipos de transientes são agora conhecidos por existirem em muitos comprimentos de onda diferentes de luz.

Mas, embora estudos anteriores tenham revelado muitos planetas orbitando extremamente próximos de suas estrelas-mãe, ninguém jamais havia visto uma estrela realmente “comer” um de seus planetas em órbita antes. Do ponto de vista teórico, isso faz sentido. Quando uma estrela como o Sol fica sem combustível de hidrogênio em seu núcleo, ela começa a se expandir, o que acontece em estágios.

• Primeiro, ela incha para se tornar uma estrela subgigante, quase dobrando de tamanho e queimando hidrogênio em uma concha ao redor de um núcleo inerte de hélio por dezenas de milhões de anos.
• Então, no final desta fase subgigante, ela se torna uma gigante vermelha com mais de 100 vezes o tamanho da estrela original, que se expande rapidamente em uma escala de tempo de apenas algumas dezenas de milhares de anos.
• E mais tarde, depois de acender o hélio de seu núcleo, ele gradualmente explodirá suas camadas externas, eventualmente ficando sem combustível e se contraindo em uma combinação de nebulosa planetária/anã branca.

Quaisquer planetas que tenham o azar de estar próximos o suficiente de sua estrela-mãe durante essas fases experimentarão primeiro um aumento na força de arrasto que experimentam à medida que mais e mais partículas solares o atingem, causando o decaimento de sua órbita, seguido de “contato” com o planeta. fotosfera solar. Nesse ponto, ela é rapidamente engolida, potencialmente causando mudanças globais na aparência da própria estrela.

Durante a fase principal da vida de uma estrela, os planetas podem orbitar a quase qualquer distância dela, inclusive muito perto. À medida que a estrela evolui, ela se torna uma subgigante e, eventualmente, um verdadeiro gigante. À medida que a estrela aumenta de tamanho, a força de arrasto de fricção no planeta mais interno aumenta; eventualmente, ele entrará em contato e será devorado pela estrela-mãe.

Mas esse é apenas o cenário teórico; os observadores nem tinham certeza do que deveriam estar procurando antes desse evento. Na verdade, quando se trata de observatórios que monitoram todo o céu, como o Zwicky Transient Facility, o tipo mais comum de evento que eles veem são as novas: estrelas que se iluminam por um fator de alguns milhares ao longo de uma semana ou mais. , e então desaparecer. A maneira como você normalmente confirma: “Sim, é uma nova que estamos vendo” é realizar observações de acompanhamento na estrela iluminada e obter seu espectro: dividindo sua luz em componentes constituintes. Se for uma nova, você verá um gás quente: gás que exibe vários graus de ionização dependendo de sua densidade e da quantidade de calor injetado nele.

E foi aí que um objeto em particular que eles viram começou a se destacar como relativamente incomum. Uma fonte parecia uma nova relativamente fraca: brilhando por um fator de algumas centenas ao longo de alguns dias. Mas quando eles pegaram o espectro daquela estrela, em vez de ver gás quente de uma determinada temperatura, densidade e ionização, eles não viram nenhum gás quente. Em vez disso, a assinatura espectral mostrou uma grande quantidade de linhas de absorção molecular, que requerem gás em temperaturas frias. De alguma forma, esse objeto brilhante não estava produzindo nenhum gás quente, mas sim gás frio.

Esta visão no infravermelho médio da estrela WR 124 e seu material circundante mostra a produção abundante de gás e poeira do material expelido. Não são apenas as estrelas Wolf-Rayet que produzem isso, mas muitas estrelas “inchadas” evoluídas. A presença de um companheiro maciço próximo pode aumentar esse efeito.

Se o gás estiver frio, em vez de quente, ele deve estar absorvendo a luz da estrela iluminada e reemitindo-a em comprimentos de onda infravermelhos mais longos. Portanto, o próximo passo foi virar um telescópio infravermelho terrestre para esta estrela e seguir as observações iniciais para ver se ela realmente era brilhante no infravermelho.

Eis que realmente foi. Além disso, era muito mais brilhante no infravermelho do que qualquer estrela normal em seu ciclo de vida típico tinha o direito de ser. A ideia é que a estrela deve ter de alguma forma:

• material ejetado,
• que esfriou enquanto se expandia para longe da estrela,
• e então condensado para formar moléculas empoeiradas,
• que posteriormente foi aquecido pela radiação da estrela,
• que os levou a emitir esta luz infravermelha característica,
• enquanto simultaneamente absorve a luz óptica.

Isso fez com que os pesquisadores se perguntassem se esse brilho no infravermelho aconteceu de uma só vez ou se houve algum brilho histórico. Felizmente, os dados do NEOWISE remontam a mais de uma década e, a partir de sua localização no espaço, cobrem praticamente todo o céu com seus olhos infravermelhos a cada seis meses. Mais uma vez, veja bem, esta fonte não apenas brilhou de uma só vez no óptico e no infravermelho quando o Zwicky Transient Facility viu o brilho, mas os dados do NEOWISE mostraram que ele havia começado a brilhar no infravermelho ainda mais cedo: antes da explosão.

Esta obra de arte mostra os estágios de pré-fusão de um planeta gigante e quente orbitando uma estrela parecida com o Sol. As camadas externas de um ou de ambos os membros podem ser ejetadas durante esse período, criando um reservatório de material ao redor do sistema estrela-planeta. Quando a fusão estiver completa, esse material pode ser aquecido, levando a assinaturas características observáveis.

Além disso, esta estrela em si não era uma estrela da sequência principal como o nosso Sol, mas um exemplo já evoluído de uma estrela semelhante ao Sol, talvez representativa de como o nosso Sol começará a se comportar em algo como outros 5 a 7 bilhões de anos. . Já está em sua fase subgigante, mas ainda não começou a se transformar rapidamente em gigante vermelha. Em vez disso, é bastante semelhante à estrela subgigante mais brilhante do nosso céu, Procyon, pois é semelhante ao Sol em termos de massa e temperatura, mas tem cerca de duas vezes o diâmetro do nosso Sol. Com base no que foi observado por esses vários telescópios diferentes ao longo do tempo, podemos reconstruir uma linha do tempo grosseira dos eventos.

• Esta estrela subgigante começou a brilhar, inclusive no infravermelho.
• Então aconteceu uma explosão.
• Essa explosão levou a um aumento rápido e severo do brilho, tanto no óptico quanto no infravermelho.
• Após a explosão, poeira molecular fria se forma ao redor da estrela.
• E então, a poeira é aquecida, onde brilha intensamente no infravermelho.

Embora esse cenário pareça estranho, não é totalmente inédito. Os astrônomos já haviam visto exatamente esses mesmos estágios acontecerem antes, embora com detalhes significativamente diferentes: quando duas estrelas se fundem.

Quando um sistema estrela-planeta ou um sistema estrela-estrela ficam muito próximos, as forças de ambos os objetos um sobre o outro podem fazer com que as camadas externas menos densas de um ou ambos os membros sejam ejetadas para fora. À medida que o material se afasta do sistema, ele esfria, onde pode formar nuvens moleculares de poeira.

Mas ao contrário das fusões estelares mais típicas, esta foi fraca. Quando duas estrelas se fundem, elas normalmente brilham por dezenas ou mesmo centenas de milhares; é um evento notavelmente notável. Mas este evento foi fraco, brilhando apenas uma fração de um por cento de uma fusão estelar típica.

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Por que seria esse o caso?

Foi quando a grande ideia atingiu os cientistas que trabalhavam nisso: e se a estrela não engolisse outra estrela, mas algo ~ 1000 vezes mais fraco que a própria estrela: um planeta gigante gasoso, por exemplo. Em outras palavras, seria semelhante a uma fusão estelar, mas o objeto secundário seria muito menor em massa do que uma estrela, fazendo com que tudo fosse reduzido.

E tudo foi observado como sendo reduzido das classes de fusões estelares observadas anteriormente. Houve menos mudança no brilho, houve menos massa expelida, houve menos detritos empoeirados ao redor da estrela, etc. Embora o Sol não engula Mercúrio e Vênus - e mais tarde, possivelmente a Terra também - até que inche para tornar-se uma gigante vermelha, muitos sistemas estelares têm planetas que orbitam muito perto de sua estrela-mãe. E, neste caso, um planeta poderia estar perto o suficiente para ser engolido mesmo durante a fase subgigante.

Quando um corpo em órbita entra na fotosfera de uma estrela massiva, a estrela aumenta de tamanho e brilha substancialmente, mas também para de expelir material empoeirado; isso foi apenas uma parte da fase de pré-fusão do sistema astronômico em questão.

O passo seguinte da investigação foi recorrer à modelação deste sistema físico, tentando reproduzir o que tinha sido visto. Poderia uma massa secundária que era uma anã marrom conseguir isso? E quanto a um planeta gigante, como Júpiter, ou menos massivo, como Saturno? Que tal um planeta gasoso de massa ainda menor, como Urano ou Netuno? Que tal um mini-Netuno ou uma Super-Terra? Ou que tal um planeta completamente rochoso, como a Terra, Mercúrio ou a Lua?

Descobriu-se que uma anã marrom seria muito massiva e levaria a um efeito muito maior do que qualquer coisa já vista. No entanto, um objeto do tamanho de Saturno a Júpiter (e com massa) pode levar aos efeitos observados. Planetas gasosos menores, como Urano, Netuno, ou talvez algo ainda um pouco menor que Netuno, podem causar brilho significativo, mas não por um fator de algumas centenas para uma estrela parecida com o Sol. (No entanto, eles poderiam fazê-lo para uma estrela evoluída de menor massa, uma vez que é a proporção de massa de estrela para planeta que é importante.)

Mas mundos rochosos semelhantes à Terra ou menores não podem fazer isso; eles apenas criariam um pequeno efeito perturbador no brilho da estrela. Nosso Sol nunca terá uma explosão como esta, mas qualquer estrela com um planeta “Júpiter quente” orbitando pode!

Depois de devorar um planeta gigante gasoso, uma estrela subgigante pode inchar várias vezes seu tamanho normal, brilhando substancialmente e aquecendo a poeira molecular circundante. Eventualmente, esta estrela irá se contrair e enfraquecer até retornar ao seu estado inicial de pré-fusão.

Com todos os dados coletados, ao longo do tempo e em vários comprimentos de onda diferentes, podemos ter certeza de que realmente vimos um planeta sendo devorado por sua estrela-mãe. Além disso, o sucesso das simulações em reproduzir os detalhes dessa fusão nos levou a formular um mecanismo de como tudo isso ocorre.

1. Quando o planeta está próximo, mas ainda fora da própria estrela, ele faz com que o material seja ejetado radialmente para fora do sistema estrela-planeta.
2. Quando o planeta entra em contato com a estrela, ele é rapidamente destruído em apenas algumas órbitas, fazendo com que a estrela clareie e inche.
3. O material expelido se expande e esfria, formando moléculas, que são aquecidas pela estrela recém-brilhada.
4. E então, com o tempo, a estrela retorna ao seu estado pré-brilhante, tendo aumentado em massa apenas uma fração de um por cento.

Esse último componente agora foi confirmado observacionalmente : a estrela realmente retornou ao seu brilho e cor iniciais pré-evento de fusão e agora continuará em sua evolução gradual para uma gigante vermelha. As estrelas realmente devoram seus planetas e, à medida que nossas capacidades de observação continuam a melhorar, este provavelmente será apenas o primeiro objeto de uma classe inteiramente nova de fenômenos astronômicos. Agora que vimos e identificamos uma estrela devorando ativamente um de seus planetas gigantes internos, mais certamente virão!

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