• Começa Com Um Estrondo

O que a anã branca mais pesada e menor já encontrada significa para a ciência

Esta ilustração mostra a anã branca altamente magnetizada e girando rapidamente com o menor raio já encontrado, com a lua da Terra mostrada nas proximidades para uma comparação de tamanho. Com um raio de ~ 2.140 km, apenas cerca de 20% maior que o raio da Lua, isso marca a menor e mais massiva anã branca cujos parâmetros já foram medidos com tanta precisão. (GIUSEPPE PARISI)

O novo recordista abre um universo literal cheio de possibilidades.

Algum dia, até mesmo nosso próprio Sol acabará ficando sem combustível de hidrogênio em seu núcleo, trazendo um tremendo conjunto de mudanças ao nosso Sistema Solar. Seu núcleo se contrairá e aquecerá enquanto suas camadas externas se expandem e são expelidas lentamente, significando nossa transição para uma gigante vermelha. Quando o hélio no núcleo se esgota, o núcleo se contrai ainda mais, tornando-se uma anã branca de carbono/oxigênio, enquanto o restante de nossa estrela é levado de volta ao espaço interestelar em uma espetacular nebulosa planetária. Para praticamente todas as estrelas nascidas com 40% a 800% da massa do nosso Sol, o mesmo destino aguarda todas elas.

A anã branca que nos resta é sempre muito menos massiva do que a estrela da qual se originou e nunca mais massiva do que cerca de 1,4 massas solares. Acima desse limite de massa – conhecido como massa de Chandrasekhar – ocorrerá uma reação termonuclear espontânea: uma supernova do tipo Ia, destruindo completamente a anã branca. Impulsionada por uma série de observações curiosas, uma equipe de cientistas acabou de descobrir a anã branca mais massiva já medida de forma robusta: entre 1,327 e 1,365 massas solares, e tem apenas 2.140 quilômetros de raio, ou pouco maior que a Lua. É uma descoberta fascinante, mas o que ela nos ensina é realmente fenomenal.

Normalmente, uma nebulosa planetária aparecerá semelhante à Nebulosa do Olho de Gato, mostrada aqui. Um núcleo central de gás em expansão é iluminado brilhantemente pela anã branca central, enquanto as regiões externas difusas continuam a se expandir, iluminadas muito mais fracamente. A anã branca no centro se contrai, mas permanece muito quente, com algumas anãs brancas atingindo temperaturas de 60.000 K ou mais nos extremos. (TELESCÓPIO ÓPTICO NÓRDICO E ROMANO CORRADI / WIKIMEDIA COMMONS / CC BY-SA 3.0)

Embora possamos olhar para nosso Sistema Solar e nosso Sol como um exemplo típico do que existe, é importante reconhecer que somos apenas uma amostra de tamanho 1 e que a natureza vem em todos os tipos de variedades. 95% das estrelas em nossa galáxia são menos massivas que o nosso Sol, mas os 5% restantes significam que aproximadamente 20 bilhões de estrelas na Via Láctea são mais massivas do que nós. Além disso, cerca de metade de todas as estrelas que conhecemos fazem parte de um sistema com duas ou mais estrelas; sistemas singlet como o nosso são extremamente comuns, mas binários, trinários e outras configurações multi-estrela também são bastante comuns.

A razão pela qual isso importa é que muitos sistemas binários nascem com estrelas de massas semelhantes e, portanto, têm destinos semelhantes. Se uma estrela em um sistema binário se tornar uma anã branca, a outra provavelmente não ficará muito atrás. A estrela mais brilhante em nosso céu noturno, Sirius, tem uma anã branca e uma estrela mais massiva que o Sol orbitando uma à outra; volte em cerca de um bilhão de anos, e é quase certo que você encontrará duas anãs brancas orbitando uma à outra.

Sirius A e B, uma estrela normal (semelhante ao Sol) e uma estrela anã branca em um sistema binário. Sabe-se que muitos desses sistemas como esse existem, pois aproximadamente 50% de todas as estrelas do Universo são membros de um sistema binário, trinário ou multi-estrela maior. As estrelas de maior massa, desde que não se transformem em supernovas, se tornarão anãs brancas primeiro, enquanto as estrelas de menor massa chegarão lá eventualmente. (NASA, ESA E G. BACON (STSCI))

Mas esse é o começo da história, não o fim. Assim como os buracos negros binários e as estrelas de nêutrons são conhecidos por inspirar e se fundir, o mesmo acontecerá com as anãs brancas em sistemas binários. Quando o fizerem, se sua massa combinada exceder o limite de Chandrasekhar, você terá um cataclismo estelar: uma supernova do tipo Ia, que pode brilhar brevemente tão brilhante quanto cerca de 10 bilhões de sóis.

Mas se sua massa combinada permanecer abaixo desse limite crítico - e lembre-se de que algumas anãs brancas podem ter uma massa incrivelmente baixa, com a de menor massa chegando a apenas ~ 17% da massa do Sol - elas simplesmente levar à formação de outra anã branca. Essa nova anã branca deve ter algumas propriedades particulares que a diferenciam das anãs brancas que se formam a partir de estrelas únicas; portanto, mesmo que encontremos apenas uma anã branca após a fusão, ainda devemos ser capazes de identificar sua origem. Em particular, esperamos:

• uma rotação rápida, a partir da conservação do momento angular de inspiração e fusão de remanescentes estelares,
• uma massa alta, uma vez que duas anãs brancas típicas (de 1 massa solar ou menos) se combinarão para levar a uma supernova ou a uma anã branca de massa potencialmente comparável ao limite de Chandrasekhar,
• e um forte campo magnético em sua superfície, assim como qualquer estrela em rotação rápida ou remanescente estelar.

O aglomerado globular Messier 4 não tem apenas estrelas dentro, mas um grande número de anãs brancas: remanescentes estelares, circulados em branco à direita na imagem inserida do Hubble. As anãs brancas são incrivelmente fracas e pequenas, mas podem ser medidas e identificadas com observatórios modernos. Caracterizá-los, mesmo nas proximidades, leva nossos equipamentos aos seus limites absolutos. (HARVEY RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA, VANCOUVER, CANADÁ), M. BOLTE (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ) E NASA/ESA)

Tudo isso, no entanto, é puramente teórico. Os estudos teóricos podem ser incrivelmente úteis, principalmente quando essas teorias são informadas por observações robustas que pintam um quadro consistente. Mas é quando encontramos novos objetos que ultrapassam os limites do que é possível que os maiores avanços científicos – aqueles que nos levam além do que já foi estabelecido – podem ocorrer. Astronomicamente, uma das mais novas fronteiras ocorre no que chamamos de astronomia no domínio do tempo: sinais do Universo que variam, de alguma forma, em escalas de tempo muito curtas.

Uma das melhores ferramentas que temos para estudar essas mudanças de curto prazo é conhecida como ZTF: o Zwicky Transient Facility. Ao monitorar uma parte do céu com excelente precisão durante um período de tempo, você pode se tornar sensível a pequenas mudanças periódicas no brilho de um objeto. (Isso é algo que você perde automaticamente se fizer uma média de tempo de seus dados e uma das maiores perdas científicas que as megaconstelações de satélites ameaçam infligir no campo da astronomia.)

Ao analisar os dados da ZTF, o astrônomo do Caltech Kevin Burdge notou algo incomum. Um objeto no céu - um ponto de luz fraco e relativamente próximo - parecia desmaiar e brilhar periodicamente em cerca de 3% a cada 7 minutos: uma escala de tempo incrivelmente curta para uma variação tão grande. Embora o ZTF escaneie o céu em escalas de tempo muito mais longas, aproximadamente a cada 48 horas, Barnes conseguiu extrair esse sinal rápido e de curto período dos dados cumulativos.

Impressão artística de um par de anãs brancas em órbita, chamadas ZTF J1530+5027. Dois anos atrás, cientistas (incluindo Kevin Barnes) usaram dados ZTF para revelar um par de anãs brancas binárias que eclipsaram uma à outra, com um período orbital de apenas 7 minutos. Em 2021, os dados da ZTF revelaram uma anã branca rotativa que gira em seu eixo uma vez a cada 7 minutos. Este sistema, ilustrado aqui, pode ser o sistema progenitor para essas anãs brancas que giram rapidamente. (CALTECH/IPAC/R. HURT)

Sempre que você vê algo diferente das outras coisas que viu antes, mesmo que esteja vendo pela primeira vez por causa de um avanço tecnológico, seu instinto deve ser tentar entender exatamente o que está acontecendo. A maneira como fazemos isso, astronomicamente, é tentar determinar o maior número possível de propriedades desse objeto, e a maneira como conseguimos isso é fazendo o maior número possível de observações complementares ricas em informações.

A primeira dica da natureza deste objeto veio ao adicionar os dados do satélite Gaia da ESA. De sua posição acima da atmosfera da Terra, o Gaia pode medir com precisão as propriedades das estrelas, incluindo sua posição e brilho, por longos períodos de tempo, como meses e anos. À medida que as estrelas se movem pela galáxia e a Terra orbita o Sol, isso nos permite inferir as posições tridimensionais e os movimentos próprios de centenas de milhões, e talvez até bilhões, de estrelas dentro de nossa própria galáxia.

Quando rastreamos essa fonte de luz até sua identificação nos dados de Gaia, descobrimos que ela estava a apenas 130 anos-luz (cerca de 40 parsecs) de distância. A partir de seu brilho, cor e distância, podemos inferir que deve ser uma anã branca. E com uma variação tão grande e periódica em escalas de tempo de apenas ~7 minutos, isso nos diz outra coisa: essa anã branca deve estar girando incrivelmente rápido.

Uma comparação precisa de tamanho/cor de uma anã branca (L), a Terra refletindo a luz do nosso Sol (no meio) e uma anã negra (R). Quando as anãs brancas finalmente irradiarem o último de sua energia, todas elas acabarão se tornando anãs negras. A pressão de degeneração entre os elétrons dentro da anã branca/preta, no entanto, sempre será grande o suficiente, desde que não acumule muita massa, para evitar que entre em colapso ainda mais. Nosso Sol, quando se tornar uma anã branca, será maior do que a Terra atualmente, mas as anãs brancas mais massivas podem ser significativamente menores. (BBC / GCSE (L) / SUNFLOWERCOSMOS (R))

As anãs brancas, você vê, são tipicamente do tamanho de planetas rochosos, embora suas massas sejam comparáveis ​​à de uma estrela. Se você imaginasse, por exemplo, aumentar a massa da Terra até que ela ficasse cerca de 300.000 vezes mais densa e massiva do que é hoje, elevando sua temperatura para algo em torno de 10.000 K, mas mantendo seu tamanho atual, você teria algo como uma anã branca. Só que, para esta anã branca em particular, ela gira 360° em torno de seu eixo não em 24 horas, mas a cada 7 minutos: 200 vezes mais rápido que a Terra. Se você medisse a velocidade dessa anã branca em seu equador, descobriria que ela está viajando a cerca de 95 quilômetros por segundo, ou 340.000 quilômetros por hora.

Por que uma anã branca é tão densa e por que ela gira tão rápido?

Uma razão é que você tem tanta massa junta em um só lugar, mas nenhuma fusão nuclear para produzir radiação. Sem essa potência extrema para empurrar de volta contra a força da gravidade, a matéria interna não tem outra opção a não ser se contrair até que algo possa neutralizar a força da gravidade. O único candidato que resta é a integridade da própria matéria e regras quânticas como o Princípio de Exclusão de Pauli, que impedem que duas partículas subatômicas (fermiônicas) idênticas ocupem o mesmo estado quântico. É daí que vem o limite de massa de Chandrasekhar; vá acima de um certo limite, e mesmo essa regra quântica não será suficiente para impedi-lo de entrar em colapso. Quando sua massa total subir acima desse valor crítico, você desencadeará um conjunto de reações de fusão descontroladas ou – se você já for algo como uma estrela de nêutrons – entrará em colapso completamente: em um buraco negro.

Quando uma estrela destinada a uma supernova tem uma companheira binária densa, essa companheira pode roubar massa suficiente para evitar que a supernova ocorra. Este desvio de massa pela estrela mais densa pode levar à eventual criação de anãs brancas dominadas por elementos mais pesados ​​do que o típico carbono e oxigênio. No entanto, a anã branca também pode acumular massa suficiente para exceder o limite de massa de Chandrasekhar, o que resulta em uma supernova do Tipo Ia, em vez de um colapso do núcleo. (NASA/ESA, A. FEILD (STSCI))

Uma das coisas interessantes que acontecem com as anãs brancas à medida que ganham massa e se aproximam desse limite é que seu tamanho físico diminui à medida que mais e mais matéria você adiciona. O espaço entre as partículas individuais diminui, devido à força gravitacional, em uma quantidade maior do que a adição cumulativa de partículas extras adiciona ao volume total. Como resultado, quanto mais massiva sua anã branca fica – quanto mais próxima em massa ela fica do limite de Chandrasekhar – menor e menor ela fica. Uma anã branca com menos da metade da massa do Sol pode ser até duas vezes maior que a Terra, mas anãs brancas que se aproximam desse limite de massa podem ser menores que Marte.

Quando você vê uma anã branca pesada, próxima a esse limite de massa, há algumas maneiras pelas quais ela poderia ter se formado. Você poderia fazer um a partir de uma estrela massiva que estava um pouco abaixo do limite de massa necessário para uma supernova, ou poderia fazê-lo a partir da fusão de duas anãs brancas menores e de menor massa cuja massa combinada ainda não atingiu esse limite. Gira tão rápido – completando uma rotação completa em ~ 7 minutos – não deve surgir de estrelas singlete isoladas que evoluem para anãs brancas. Deveria ter vindo de uma fusão, pois seu período de rotação é comparável ao de a anã branca que gira mais rápido : 5 minutos, 17 segundos.

Mas, se surgiu dessa forma, há outra pista que devemos ser capazes de sair e procurar: também deve ter um forte campo magnético. Nem ZTF nem Gaia poderiam fornecer essa informação, mas observações de acompanhamento com outros instrumentos sofisticados poderiam.

A anã branca recém-descoberta, ZTF J1901+1458, tem aproximadamente o tamanho da lua da Terra, com um diâmetro de cerca de 4.300 quilômetros. A lua, para comparação, tem 3.500 quilômetros de diâmetro. A anã branca é retratada acima da lua nesta representação artística; na realidade, a anã branca está a 130 anos-luz de distância na constelação de Aquila. (GIUSEPPE PARISI)

Foi aí que Ilaria Caiazzo, astrônoma do Caltech e principal autora deste novo estudo , entrou. Ela liderou uma série de observações de acompanhamento, incluindo:

• usando o telescópio Keck I para realizar espectroscopia neste objeto, quebrando sua luz em vários comprimentos de onda individuais,
• usando o observatório Swift para obter dados fotométricos ultravioleta,
• e usando os dados do levantamento Pan-STARRS para obter dados fotométricos ópticos.

Combinado com os dados ZTF (short-period brightening/faintening) e Gaia (parallax), a equipe científica que trabalha neste projeto conseguiu extrair uma enorme quantidade de informações sobre esse objeto. O que as observações indicaram foi que essa anã branca possui um forte campo magnético: 800.000.000 Gauss (cerca de um bilhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra), com variações de cerca de 25% sobre a superfície da anã branca. A temperatura da anã branca é muito quente: 46.000 K, tornando-a uma das anãs brancas mais quentes já registradas (possivelmente também indicando sua juventude), e também extremamente pequena, com um raio de apenas 2.140 km.

Isso a torna a menor anã branca conhecida, superando os recordes anteriores que chegaram a cerca de 2.500 km. Se compararmos essa anã branca com objetos em nosso Sistema Solar, ela seria menor do que Mercúrio, e entre os tamanhos das luas de Júpiter Calisto e Io: as 3ª e 4ª maiores luas do Sistema Solar. ( A lua da Terra é a 5ª , se você estiver curioso.)

Quando você classifica todas as luas, planetas pequenos e planetas anões em nosso Sistema Solar, você pode ver que muitos dos maiores objetos não planetários são luas, com alguns sendo objetos do cinturão de Kuiper. Se a menor anã branca já descoberta fosse colocada neste gráfico, estaria entre os tamanhos de Calisto, a 3ª maior lua do Sistema Solar, e Io, que é a 4ª. (MONTAGEM DE EMILY LAKDAWALLA. DADOS DA NASA/JPL, JHUAPL/SWRI, SSI E UCLA/MPS/DLR/IDA, PROCESSADOS POR GORDAN UGARKOVIC, TED STRYK, BJORN JONSSON, ROMAN TKACHENKO E EMILY LAKDAWALLA)

Esta nova anã branca – oficialmente conhecida como ZTFJ1901+1458 – tem o menor raio, a massa mais pesada e um dos períodos mais curtos já medidos para esta classe de objetos. Seu grande campo magnético aponta para uma origem baseada na fusão de anãs brancas anteriores.

Isso não significa, no entanto, que anãs brancas como essa sejam raras. Nem significa que as anãs brancas não fiquem mais pesadas do que isso; as estimativas da massa de Chandrasekhar variam ligeiramente com base na rotação e composição: entre 1,38 e 1,45 massas solares.

Essa anã branca, cuja massa é estimada entre 1,327 e 1,365 massas solares, certamente está no extremo superior do espectro, mas deve haver anãs brancas que estão realmente forçando esse limite. Na verdade, um deles - uma anã branca orbitando uma gigante vermelha no T Corona Boreal sistema - poderia muito bem ser a próxima supernova da nossa galáxia . Estima-se que a anã branca tenha uma massa maior: 1,37 massas solares, mas suas incertezas também são maiores, pois atualmente não podemos obter uma boa medida de raio para ela.

De fato, se ZTFJ1901+1458 estivesse apenas duas ou três vezes mais distante, não poderíamos fazer essas medições precisas com nosso conjunto atual de observatórios. Para anãs brancas, ele estabelece novos recordes notáveis ​​de tamanho, massa e força do campo magnético, mas também precisamos nos lembrar de que estamos sondando menos de 0,001% das anãs brancas em nossa galáxia no momento.

Quando as estrelas de menor massa, semelhantes ao Sol, ficam sem combustível, elas explodem suas camadas externas em uma nebulosa planetária, mas o centro se contrai para formar uma anã branca, que leva muito tempo para desaparecer na escuridão. As anãs brancas podem ser ainda mais massivas que o nosso Sol: até cerca de 1,4 massas solares, com as anãs brancas mais massivas tendo raios menores. É apenas para as anãs brancas mais próximas, no entanto, que nossa instrumentação atual é atualmente capaz de medir raios. (MARK GARLICK / UNIVERSIDADE DE WARWICK)

No futuro, no entanto, a próxima geração de observatórios, incluindo o Observatório Vera Rubin, será capaz de fazer esses tipos de medições em volumes mais de cem vezes maiores do que nosso conjunto atual de observatórios pode sondar. Além disso, observatórios de neutrinos novos e atualizados podem até começar a medir os neutrinos produzidos pelo processo de captura de elétrons agindo em vários elementos supostamente dentro da anã branca. A presença ou ausência de elementos como néon, sódio ou magnésio podem afetar não apenas o espectro de neutrinos produzido, mas o destino, a evolução e possivelmente até a morte dessas enormes anãs brancas.

Esta é a menor anã branca já encontrada e, em teoria, elas podem ser tão pequenas quanto a lua da Terra, que tem um raio apenas cerca de 20% menor do que esse novo recordista de uma anã branca. Por causa de sua rotação rápida, sua alta temperatura e seu forte campo magnético, é muito provável que essa anã branca tenha se formado a partir da fusão de duas anãs brancas progenitoras e que o objeto que estamos vendo agora não tenha mais de 100 milhões de anos. velho: um pontinho no tempo de vida do Universo.

Essa descoberta não apenas nos ajuda a entender o destino final e os extremos cósmicos dos remanescentes de todas as estrelas semelhantes ao Sol, mas também mostra o poder da astronomia no domínio do tempo. Se pudermos monitorar objetos suficientemente bem para detectar pequenas mudanças em escalas de tempo muito curtas, teremos o potencial de descobrir fenômenos que nunca veríamos de outra maneira. Mas se modificarmos o céu noturno com muita severidade para tornar essa tarefa fisicamente impossível – como nossas megaconstelações crescentes estão atualmente em processo de fazer – essa informação provavelmente permanecerá indescritível por anos, décadas ou até gerações vindouras.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: