Supernova recordista consegue radiografar todo o Universo

A primeira supernova já descoberta através de seus raios-X tem um motor extremamente poderoso em seu núcleo. É diferente de tudo já visto.

Acredita-se que um evento como o AT2018cow, agora conhecido como FBOTs ou Cow-like, seja o resultado de um choque de uma supernova encapsulada. Com cinco desses eventos agora descobertos, a caçada começa para descobrir exatamente o que os causa, bem como o que os torna tão únicos. (Crédito: Observatório Astronômico de Xangai, China)



Principais conclusões
  • Em 2018, uma supernova foi descoberta por uma instalação automatizada, AT2018cow, e foi a primeira de uma nova classe de eventos transitórios superluminosos.
  • Desde então, apenas alguns outros foram vistos. Mas o AT2020mrf é único, centenas de vezes mais luminoso que os outros.
  • Um motor central, como um magnetar ou um buraco negro de acreção ativa, é necessário para alimentar essa explosão, que mostra características únicas de raios-X.

De vez em quando, um cataclismo estelar ocorre em nosso Universo, encerrando a vida de uma estrela. O tipo mais comum de cataclismo é uma supernova de colapso de núcleo, onde o interior de uma estrela massiva implode, levando a uma reação de fusão descontrolada e uma tremenda explosão, onde a energia emitida pela estrela pode brilhar brevemente bilhões de vezes mais do que uma estrela típica. E, no entanto, são os tipos mais raros de cataclismos estelares – supernovas superluminosas, hipernovas, eventos de ruptura de maré e explosões ainda mais exóticas – que podem brilhar mais do que qualquer outra coisa que observamos.



Em 2018, uma nova classe de explosões foi vista pela primeira vez: a classe Cow. Detectado automaticamente por uma instalação que monitora o céu em busca de eventos inesperados de brilho (ou desmaio), seu nome gerado aleatoriamente saiu em AT2018cow, onde as últimas três letras formavam uma palavra real. Hoje, é o protótipo de uma nova classe de explosões que ocorrem em todo o Universo. Outro evento na mesma classe de objetos Cow foi descoberto recentemente: o primeiro detectado não por suas assinaturas de luz visível, mas por seu espetacular brilho de raios-X. Conhecido como AT2020mrf, ele literalmente banhou o Universo em raios-X por bilhões de anos-luz, incluindo nós.

Aqui está a ciência por trás do que aconteceu.



Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região do núcleo onde ocorre a fusão nuclear se expande, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. Um processo semelhante ocorre no interior de todas as estrelas. ( Crédito : Wikimedia Commons/KelvinSong)

À medida que passam por seus ciclos de vida, as estrelas transformam massa em energia através do processo de fusão nuclear. Ao esmagar núcleos atômicos leves sob tremendas pressões e temperaturas, eles podem desencadear a formação de núcleos atômicos mais pesados. Se você colocar as massas totais dos núcleos de pré-fusão e pós-fusão em uma escala, você descobriria que os produzidos pela fusão eram um pouco menos massivos do que os que entraram na reação.

Para onde foi essa massa? Ele é transformado em energia através da equação mais famosa de Einstein: E = mdois .



Quando o AT2018cow foi visto pela primeira vez, ele apareceu simplesmente como um evento de alta temperatura e brilho rápido: como uma supernova, mas com algumas características incomuns. Alguns desses recursos incluem:

  • a copiosa detecção de ferro
  • um brilho extremamente luminoso em comprimentos de onda ultravioleta
  • aproximadamente dez vezes o brilho intrínseco de uma supernova normal
  • brilho em todos os comprimentos de onda da luz, desde os raios X até o rádio
  • evidência de que estava cercado por material muito denso, com uma onda de choque tremendamente rápida movendo-se através dele

Por um bom tempo, isso foi surpreendentemente difícil de explicar.

raio-x supernova

A única explicação para o evento AT2018cow que preenche todos os requisitos é uma supernova encapsulada que sofre uma explosão de choque. Embora muitos detalhes ainda precisem ser trabalhados neste cenário, a mesma explicação permanece consistente com todos os cinco eventos conhecidos como Cow. ( Crédito : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)



No entanto, ao sintetizar uma grande variedade de observações de muitos observatórios diferentes, um quadro consistente começou a emergir. Uma explicação candidata foi que veio de um evento de ruptura das marés, onde as estrelas são dilaceradas através de interações gravitacionais com um objeto massivo e compacto. No entanto, a natureza de longo prazo dos raios-X sugeriu que um remanescente foi deixado para trás para alimentá-lo, eliminando isso como uma possível explicação. Em vez disso, talvez fosse uma supernova afinal – embora estivesse em um ambiente incomum, envolta por uma densa estrutura de gás semelhante a um casulo.

Com essa percepção, as peças se encaixaram. Se houvesse um casulo de gás em torno de uma estrela que estava chegando ao fim de sua vida, então:



  • uma supernova inicial chocaria o casulo circundante
  • o material aqueceria a temperaturas extremamente altas
  • a energia injetada causaria um evento de fuga, criando o brilho extremo, o rápido aumento da luminosidade e a onda de choque ultrarrápida
  • o remanescente da supernova, como uma estrela de nêutrons, continuaria a injetar energia por longos períodos de tempo após a explosão inicial

Essa nova classe de objetos agora é conhecida não exclusivamente como objetos da classe Cow, mas sim como FBOTs: Fast Blue Optical Transients.

Esta imagem mostra o remanescente de supernova de SN 1987a em seis diferentes comprimentos de onda de luz. Mesmo que tenham se passado 35 anos desde que essa explosão ocorreu, e mesmo que esteja bem aqui em nosso próprio quintal, o material ao redor do motor central não foi limpo o suficiente para expor o remanescente estelar. Por outro lado, objetos semelhantes a vacas têm seus núcleos expostos quase imediatamente. ( Crédito : Alak Ray, Astronomia da Natureza, 2017; ACTA/ALMA/ESO/Hubble/Chandra composto)

O que torna uma explosão um Fast Blue Optical Transient? Deve haver um rápido aumento no brilho; essa é a parte rápida. Você tem que ter muita energia na porção ultravioleta do espectro; essa é a parte azul. Tem que ter um grande aumento de brilho na porção de luz visível do espectro; essa é a parte óptica. E precisa ter uma variação de tempo em sua produção geral de energia, onde ela aumenta, aumenta até o máximo e depois diminui e desaparece; essa é a parte transitória.

Na verdade, existem observatórios inteiros que se especializam em fazer observações de objetos transitórios, onde eles imaginam a mesma parte do céu repetidamente. Eles então realizam, de forma automatizada, um cálculo diferencial, procurando apenas as mudanças no céu de um momento para o outro. Somente se algo clareou, desmaiou, apareceu recentemente, desapareceu recentemente ou mudou de alguma forma - em posição ou cor, por exemplo - é sinalizado como candidato a um evento transitório. Quase todas as nossas buscas transitórias automatizadas, no entanto, estão restritas a serem realizadas em luz visível.

O Telescópio Samuel Oschin de 48 polegadas em Mt. Palomar é de onde o Zwicky Transient Facility (ZTF) obtém seus dados. Embora seja apenas um telescópio de 48″ (1,3 metro), seu amplo campo de visão e rápida velocidade de observação permitem descobrir mudanças ópticas no céu noturno que praticamente todos os outros observatórios não conseguem encontrar. ( Crédito : Palomar/Caltech)

Isso é parte do que torna este mais novo evento, AT2020mrf, tão espetacular. Foi encontrado pela primeira vez em julho de 2020, não por nenhuma das instalações transitórias explicitamente construídas e projetadas para encontrar esses eventos ópticos, mas por um tipo completamente diferente de observatório: um telescópio de raios X conhecido como Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) telescópio. Este telescópio de raios-X é único entre todos os observatórios de raios-X que operamos hoje por vários motivos, mas o mais espetacular é que é o único que planeja obter imagens de todo o céu várias vezes.

O telescópio Spektrum-Roentgen-Gamma completou sua primeira pesquisa completa do céu em junho de 2020 e rapidamente embarcou em sua segunda varredura – de oito planejadas – imediatamente depois. Todo o objetivo de observar o céu repetidamente é, mais uma vez, procurar mudanças, pois elas significam um evento astronômico de interesse. Em julho de 2020, logo no início dessa segunda varredura, surgiu algo fascinante; uma fonte inteiramente nova de luz de raios-X - onde nenhuma havia sido anteriormente apenas seis meses antes - não apenas emergiu, mas era incrivelmente brilhante.

A localização do AT2020mrf é vista aqui em imagens do telescópio de raios-X eROSITA. O painel direito mostra a detecção de uma nova fonte entre 21 e 24 de julho de 2020. O painel esquerdo mostra que a fonte não estava lá seis meses antes. ( Crédito : Pavel Medvedev, SRG / eROSITA)

Quão brilhante era? O evento Cow original, AT2018cow, teve um brilho de raios-X grande e significativo para uma supernova. A de AT2020mrf era 20 vezes mais brilhante naquela luz de raios-X. Além disso, ambos os eventos tiveram uma variabilidade substancial, mas errática, em seu brilho de raios-X, variando rapidamente em escalas de tempo de menos de um dia.

Foi o suficiente para fazer os astrônomos que o estudavam se perguntarem: seria possível que esse novo evento também fosse um FBOT? Se assim for, deve ter havido um transiente óptico precisamente no mesmo local. Eles vasculharam os dados do Zwicky Transient Facility para ver o que havia lá.

Com certeza, 35 dias antes do telescópio SRG encontrar o notável brilho de raios-X, um brilho óptico ocorreu, assim como ocorreu para outros eventos FBOT, incluindo o Cow. Possuía outras características que o tornavam um objeto notavelmente interessante por si só, incluindo:

  • uma temperatura muito alta de cerca de 20.000 K
  • características de emissão significativas que indicam uma velocidade muito alta, de cerca de 10% da velocidade da luz (muito mais rápida do que uma supernova normal de 2-3% da velocidade da luz)
  • um conjunto brilhante de emissões de rádio

Talvez o mais interessante seja o fato de pertencer a uma galáxia anã muito pequena e de baixa massa: uma com massa de apenas 100 milhões de estrelas, ou menos de 0,1% da massa da nossa Via Láctea.

Este gráfico mostra as massas e as taxas de formação de estrelas das galáxias hospedeiras onde todos os cinco eventos FBOT que foram registrados foram descobertos. Todos eles são muito mais baixos em massa e brilho do que a nossa Via Láctea. ( Crédito : Y. Yao et al., ApJ submetido, 2021; arXiv:2112.00751)

Este evento, AT2020mrf, é agora o quinto evento a cumprir todos os critérios para um FBOT e, de alguma forma, todos os cinco ocorreram em galáxias anãs que estão formando novas estrelas. Este é um daqueles fenômenos observados que fazem os astrônomos coletivamente coçar a cabeça e notar, isso é engraçado, porque não temos uma explicação moderna para isso.

Então, o que você faz se for um cientista diante de um mistério que não pode explicar, de um objeto localizado a cerca de 2 bilhões de anos-luz de distância?

Você pega os telescópios mais sensíveis que puder em qualquer comprimento de onda de luz que você acha que pode conter informações interessantes e continua a observar o evento, esperando aprender mais sobre sua natureza e suas origens a partir das pistas que se revelam por longos períodos de tempo. Armados com o conhecimento de que haviam descoberto um Transiente Óptico Fast Blue potencialmente único, uma equipe de cientistas liderada por primeiro autor Yuhan Yao de Caltech solicitou e recebeu tempo de observação no telescópio de raios-X Chandra da NASA para acompanhar este objeto. Mesmo que esse tempo não tenha chegado até junho de 2021, valeu a pena esperar.

raio-x de supernova

As emissões de raios-X do mais novo e poderoso evento tipo Cow, AT2020mrf, são mostradas com estrelas vermelhas. A primeira observação foi feita com o observatório Spektrum-Roentgen-Gamma, enquanto as duas últimas foram feitas com o observatório de raios-X Chandra. Observe o quanto essas energias são maiores do que todos os outros eventos do tipo Vaca, em preto, laranja e roxo, este evento provou ser. ( Crédito : Y. Yao et al., ApJ submetido, 2021; arXiv:2112.00751)

Cerca de 328 dias após o início da explosão, o telescópio de raios-X Chandra da NASA apontou seus olhos para esse objeto a cerca de 2 bilhões de anos-luz de distância. Notavelmente, dentro de suas primeiras seis horas de observação, Chandra viu 29 fótons de raios-X individuais vindos deste objeto: um número notavelmente grande. Durante uma segunda janela de observação de seis horas, descobriu outros 10 fótons de raios-X. Essas duas observações, feitas quase um ano após a explosão inicial, indicam uma série de fatos notáveis:

  1. O fluxo de raios X proveniente deste objeto deve ser absolutamente enorme; cerca de 200 vezes mais luminoso na luz de raios-X do que o AT2018cow era em um momento comparável em sua evolução.
  2. Os raios-X tornam, de longe, a supernova mais luminosa do tipo Vaca já vista no raio-X.
  3. Ele demonstra a diversidade de Transientes Ópticos Fast Blue, enquanto ainda suporta o modelo de ruptura de supernova encapsulada de FBOTs.
  4. Isso mostra que mesmo um ano inteiro após a suposta supernova ter ocorrido pela primeira vez, a variabilidade rápida de raios-X em uma escala de tempo de ~ 1 dia ou menos ainda permanece.
  5. A única maneira de o fluxo de raios-X permanecer tão grande depois de uma explosão de supernova é se for alimentado por um motor central ainda ativo, que os autores especularam que pode ser um buraco negro em acreção ou uma rotação extremamente rápida e altamente magnetizada. estrela de nêutrons: um magnetar de milissegundos.

A impressão deste artista mostra uma supernova e uma explosão de raios gama associada, impulsionada por uma estrela de nêutrons em rápida rotação com um campo magnético muito forte – um objeto exótico conhecido como magnetar. Pensa-se que eventos semelhantes a vacas, ou transitórios ópticos azuis rápidos, também são alimentados por um buraco negro em acreção ou um magnetar de milissegundos como este, mas não produzem explosões de raios gama, mas sim raios-X, junto com eles . ( Crédito : ISSO)

Mesmo com tudo isso, temos que lamentar o que nos falta: a capacidade de monitorar eventos como esse continuamente, em todo o céu, em vários comprimentos de onda, com alta resolução. Temos apenas uma série de medições de seu brilho óptico em baixa resolução e baixa sensibilidade, pois a desvantagem dos levantamentos transientes de grande área é que ele troca sensibilidade e resolução por velocidade. Não temos dados de raios-X do brilho inicial, pois só observamos essa região cerca de 35 a 37 dias após o pico de brilho inicial, e não temos dados entre a observação SRG e as observações de raios-X do Chandra : um intervalo de quase 300 dias.

Sabemos que as emissões de raios-X caíram, mas não sabemos como elas decaíram. Sabemos que havia hidrogênio e hélio no evento AT2018cow, mas não sabemos se hidrogênio e hélio estavam presentes ou ausentes neste, pois já é tarde demais para fazer essas observações críticas de acompanhamento. E não sabemos se as emissões de raios-X substanciais e recordes que foram vistas pela primeira vez pelo SRG – novamente, mais de um mês após o pico do brilho óptico – realmente representam o verdadeiro pico de emissões ou foi realmente um evento ainda mais brilhante do que pudemos observar.

Em uma supernova normal, à esquerda, há muito material ao redor impedindo que o núcleo fique exposto, mesmo anos ou décadas após a primeira explosão. No entanto, com uma supernova do tipo Cow, o material abundante em torno do núcleo estelar é quebrado, expondo o núcleo em pouco tempo. ( Crédito : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

No final das contas, esse objeto recém-descoberto parece levantar mais perguntas do que respostas. Dentro As próprias palavras de Yao :

Quando vi os dados do Chandra, não acreditei na análise a princípio. Repassei a análise várias vezes. Esta é a supernova Cow mais brilhante vista até hoje em raios-X. ... Em eventos do tipo Vaca, ainda não sabemos por que o motor central é tão ativo, mas provavelmente tem algo a ver com o tipo de estrela progenitora ser diferente das explosões normais.

Normalmente, quando as estrelas estão a caminho da supernova, elas expelem grandes quantidades de material e então, quando o núcleo implode, a energia injetada tem que se propagar através desse material, chocando-o, ricocheteando, etc., atrasando a chegada do material inicial. luz por horas. Mas com esses FBOTs, ou eventos semelhantes a vacas, os núcleos centrais dessas estrelas dilaceradas são rapidamente expostos com os detritos circundantes removidos. Ninguém sabe por quê. Eles são encontrados apenas em regiões de formação de estrelas ao redor de galáxias anãs e não entendemos por que esse é o caso. E embora o AT2020mrf pareça muito semelhante ao Cow original, o AT2018cow, em comprimentos de onda ópticos, é centenas de vezes intrinsecamente mais brilhante nos raios-X.

Entrevista entre o Dr. Ethan Siegel e a então candidata a PhD e agora médica Anna Ho, uma das cientistas que primeiro descobriu, analisou e caracterizou o primeiro evento desse tipo nesta nova classe: AT2018cow. ( Crédito : E. Siegel)

Seja qual for a resolução desse quebra-cabeça, a única maneira de descobrirmos isso é descobrindo e examinando ainda mais detalhadamente esses eventos. Com pesquisas de raios-X mais avançadas a caminho, nossa melhor aposta, como sempre, é conduzir um conjunto mais abrangente de investigações científicas. Essa é a única maneira de aprendermos de maneira verdadeira e confiável o que há no Universo.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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