Explosão cósmica forjou elementos pesados

Uma das grandes questões da astrofísica é a origem dos elementos pesados, no nosso Universo, que constituem a tabela periódica.

© NASA (ruptura na crosta de uma estrela de nêutrons altamente magnetizada)

Os elementos mais leves, o hidrogênio e o hélio, formaram-se principalmente no Big Bang que deu origem ao Universo. Elementos um pouco mais pesados, como o oxigênio e o ferro, são forjados no interior dos núcleos quentes das estrelas e expelidos para o espaço quando estas morrem em explosões de supernova. No entanto, os elementos raros muito mais pesados do que o ferro, como o ouro e a platina, só são criados em condições muito mais extremas do que as encontradas nas estrelas normais. 

Durante décadas, os astrofísicos nucleares têm trabalhado para identificar os eventos, na natureza, que podem sintetizar estes elementos pesados. Agora, um grupo de pesquisadores da Universidade de Columbia em New York, EUA, tem uma nova resposta a esta questão, que desafia as ideias existentes sobre onde são criados os elementos pesados. 

Foi demonstrado que elementos muito mais pesados do que o ferro foram criados num famoso evento cósmico de há mais de 20 anos, que liberou mais energia em meio segundo do que o nosso Sol produz em 250 mil de anos. A descoberta deste evento único fornece uma perspectiva importante sobre a forma como estes elementos são sintetizados em geral.

Comparando os modelos teóricos com os dados observados, foi encontrado evidências de que uma das explosões mais brilhantes alguma vez observadas na Via Láctea, um poderoso surto de raios gama em 2004, produziu uma enorme quantidade de elementos pesados que excede, em massa, o planeta Marte. No dia 27 de dezembro de 2004, vários satélites, incluindo o telescópio espacial INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) da ESA, detectaram uma explosão extremamente poderosa de raios gama proveniente de um magnetar na nossa Galáxia.

Os magnetares são uma classe de estrelas de nêutrons que abrigam os campos magnéticos mais fortes do Universo, mais de 10 trilhões de vezes mais fortes do que o típico ímã de geladeira. As estrelas de nêutrons são os corpos compactos que sobram quando estrelas massivas colapsam e explodem como supernovas. A imensa energia magnética dos magnetares provoca surtos extremos, semelhantes mas muito mais energéticos do que as erupções de partículas que o nosso Sol produz.

Embora o magnetar, SGR 1806-20, se encontre a cerca de 30.000 anos-luz de distância, a "erupção gigante" de 2004 foi suficientemente brilhante para afetar as camadas superiores da atmosfera da Terra. Após a explosão inicial de raios gama, o telescópio espacial INTEGRAL também detectou um sinal de raios gama mais fraco, mas mais longo, que durou várias horas. Embora este brilho remanescente tenha sido relatado pela primeira vez por pesquisadores em 2005, no momento não houve qualquer explicação física convincente.

Agora, os cientistas mostraram que este sinal anteriormente inexplicado da famosa erupção gigante do magnetar de 2004 pode ser atribuído à emissão de raios gama do decaimento radioativo de elementos pesados, que foram recentemente sintetizados por uma série de reações nucleares na crosta da estrela de nêutrons, à medida que esta era expelida para o espaço durante a erupção gigante.

Estima-se que até 10% ou mais dos metais preciosos da Terra podem ser produzidos por magnetares. Embora muitos potenciais fenômenos que criam estes elementos tenham sido propostos ao longo dos anos, este representa apenas o segundo evento confirmado em que os elementos mais pesados do Universo podem ser sintetizados; o primeiro foi uma fusão de estrelas de nêutrons prevista em 2010 e confirmada observacionalmente em 2017. 

Esta descoberta abre uma série de novas questões relacionadas com a função que os magnetares podem desempenhar na propagação de elementos em todo o Universo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Columbia University

O remanescente de supernova HB3

Escondido dentro dos campos ricos em estrelas de Cassiopeia, o remanescente da supernova HB3 abrange uma imensa região de 1,5° × 2° do céu.

© Toni Fabiani (remanescente de supernova HB3)

Estima-se que tenha se formado há cerca de 40.000 anos, esta antiga explosão estelar deixou para trás uma intrincada rede de ondas de choque difusas e gás ionizado. 

Situada perto das mais proeminentes IC 1705 (a Nebulosa do Peixe) e IC 1805 (a Nebulosa do Coração), a HB3 continua sendo um alvo desafiador devido à sua emissão extremamente fraca.

O astrofotógrafo Toni Fabiani captou o remanescente de supernova de Ager, Lleida, Espanha, cuja exposição profunda também revela duas nebulosas planetárias: PN G132.8+02.0 e PK131+02.1 (Abell 3), lembretes delicados das mortes estelares mais silenciosas que contrastam com o passado violento da HB3. 

A imagem destaca a complexidade do meio interestelar, onde resquícios de ciclos de vida estelares se misturam à paisagem cósmica, moldando o futuro da formação estelar. 

Fonte: AAPOD2

Restos de supernovas serão grandes ou pequenos?

O que acontece depois que uma estrela explode?

© Stéphane Vetter (M37, SNR G179.0 e Simeis 147)

Uma enorme bola de fogo de gás quente dispara em todas as direções. Quando este gás atinge o meio interestelar existente, ele esquenta tanto que brilha.

No lado esquerdo superior encontra-se o aglomerado aberto Messier 37 (também denominado M37 ou NGC 2099) localizado na constelação de Auriga. Situa-se a aproximadamente 3 600 anos-luz da Terra.

Dois remanescentes de supernova (SNRs) diferentes são visíveis na imagem em destaque, tirada no Observatório Oukaïmeden, no Marrocos. A nebulosa azul com aparência de bola de futebol no canto superior esquerdo é a SNR G179.0+02.6, que parece ser a menor. Esta supernova, a cerca de 11.000 anos-luz de distância da Terra, detonou há cerca de 50.000 anos. Embora composta principalmente de gás hidrogênio, a luz azul é emitida por uma quantidade residual de oxigênio. 

O remanescente de supernova aparentemente maior, dominando o canto inferior direito da imagem, é a Nebulosa Espaguete, catalogada como Simeis 147 e Sh2-240. Esta supernova, está apenas cerca de 3.000 anos-luz de distância daqui, explodiu há cerca de 40.000 anos.

Comparativamente, embora pareçam ter tamanhos diferentes, ambos os remanescentes de supernova não só têm aproximadamente a mesma idade, mas também aproximadamente o mesmo tamanho!

Fonte: NASA

Um pálido ponto azul

Esta imagem do telescópio espacial Hubble apresenta a galáxia LEDA 22057, que está localizada a cerca de 650 milhões de anos-luz de distância na constelação de Gêmeos.

© Hubble (galáxia LEDA 22057)

A galáxia LEDA 22057 é o local de uma explosão de supernova. Esta supernova em particular, chamada SN 2024PI, foi descoberta por uma pesquisa automatizada em janeiro de 2024. A exploração cobre toda a metade norte do céu noturno a cada dois dias e catalogou mais de 10.000 supernovas. 

A supernova é visível nesta imagem: localizada logo abaixo e à direita do núcleo galáctico, o ponto azul claro da SN 2024PI se destaca contra os braços espirais fantasmagóricos da galáxia. Esta imagem foi tirada cerca de um mês e meio após a descoberta da supernova, então ela é vista aqui muitas vezes mais fraca do que seu brilho máximo. 

A SN 2024PI é classificada como uma supernova Tipo Ia. Este tipo de supernova requer um objeto notável chamado anã branca, o núcleo cristalizado de uma estrela com uma massa menor que cerca de oito vezes a massa do Sol. Quando uma estrela deste tamanho usa o suprimento de hidrogênio em seu núcleo, ela incha em uma gigante vermelha, tornando-se fria, inchada e luminosa.

Com o tempo, pulsações e ventos estelares fazem com que a estrela perca suas camadas externas, deixando para trás uma anã branca e uma nebulosa planetária colorida. Anãs brancas podem ter temperaturas de superfície maiores que 100.000 graus e são extremamente densas, acumulando aproximadamente a massa do Sol em uma esfera do tamanho da Terra.

Embora quase todas as estrelas na Via Láctea um dia evoluam para anãs brancas, este é o destino que aguarda o Sol cerca de cinco bilhões de anos no futuro, nem todas explodirão como supernovas do Tipo Ia. Para que isso aconteça, a anã branca deve ser um membro de um sistema estelar binário. Quando uma anã branca absorve material de um parceiro estelar, a anã branca pode se tornar muito massiva para se sustentar. A explosão resultante de fusão nuclear descontrolada destrói a anã branca em uma explosão de supernova que pode ser vista em muitas galáxias distantes.

Fonte: ESA

Uma supernova na constelação da Baleia

A imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble é a galáxia espiral NGC 337, localizada a cerca de 60 milhões de anos-luz de distância na constelação de Cetus (Baleia).

© Hubble (NGC 337)

Esta imagem combina observações feitas em dois comprimentos de onda, destacando o centro dourado e os arredores azuis da galáxia. O brilho central dourado vem de estrelas mais velhas, enquanto as bordas azuis brilhantes é devido às estrelas jovens. 

Se o Hubble tivesse observado a NGC 337 há cerca de uma década, o telescópio teria detectado algo notável entre as estrelas azuis quentes ao longo da borda da galáxia: uma supernova brilhante. 

A supernova, chamada SN 2014cx, é notável por ter sido descoberta quase simultaneamente de duas maneiras muito diferentes: por um prolífico caçador de supernovas, Koichi Itagaki, e pelo All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). O ASAS-SN é uma rede mundial de telescópios robóticos que varre o céu em busca de eventos repentinos, como supernovas.

Pesquisadores determinaram que SN 2014cx era uma supernova Tipo IIP. A classificação “Tipo II” significa que a estrela que explodiu era uma supergigante pelo menos oito vezes mais massiva que o Sol. O “P” significa platô, indicando que depois que a luz da supernova começou a desaparecer, o nível atingiu um platô, permanecendo no mesmo brilho por várias semanas ou meses antes de desaparecer ainda mais. 

Esse tipo de supernova ocorre quando uma estrela massiva não consegue mais produzir energia suficiente em seu núcleo para evitar a pressão esmagadora da gravidade. Estima-se que a estrela progenitora de SN 2014cx tenha sido dez vezes mais massiva que o Sol e centenas de vezes mais extensa. Embora tenha diminuído há muito tempo de seu brilho inicial, os pesquisadores ainda estão de olho nessa estrela que explodiu, principalmente por meio do programa de observação do Hubble que produziu esta imagem.

Fonte: ESA

Uma supernova auxilia desvendar o passado cósmico

Pesquisadores fizeram novas observações de uma supernova incomum, encontrando a explosão estelar mais pobre em metais alguma vez observada.

© Getty Images (ilustração de uma galáxia)

Esta rara supernova, designada 2023ufx, teve origem no colapso do núcleo de uma estrela supergigante vermelha, que explodiu nos arredores de uma galáxia anã próxima. 

Os resultados do estudo mostraram que as observações desta supernova e da galáxia em que foi descoberta têm uma baixa metalicidade, o que significa que não têm uma abundância de elementos mais pesados do que o hidrogênio ou o hélio. Uma vez que os metais produzidos nas supernovas informam as suas propriedades, incluindo a forma como as estrelas evoluem e morrem, aprender mais sobre a sua formação pode dizer aos astrônomos muito sobre o estado do Universo quando este começou, especialmente porque não havia essencialmente metais no momento do seu nascimento. 

As galáxias anãs, em particular, são análogas locais úteis às condições que os cientistas esperam encontrar no Universo primitivo. Graças a elas, embora as primeiras galáxias fossem pobres em metais, todas as galáxias grandes e brilhantes perto da Via Láctea tiveram muito tempo para que as estrelas explodissem e aumentassem o conteúdo de metais. O conteúdo metálico que uma supernova possui também influencia aspetos como o número de reações nucleares que pode ter ou o tempo que a sua explosão permanece brilhante. É também uma das razões pelas quais muitas estrelas de baixa massa correm ocasionalmente o risco de se transformarem em buracos negros. 

Normalmente, qualquer supernova pobre em metais seria provavelmente demasiado tênue para ser vista a partir da Via Láctea, devido à distância a que se encontra. Agora, graças ao advento de instrumentos mais potentes como o telescópio espacial James Webb, a detecção de galáxias distantes pobres em metais tornou-se exponencialmente mais fácil. "Não existem assim tantos locais pobres em metais no Universo próximo e, antes do JWST, era difícil encontrá-los. 

As novas observações desta supernova em particular revelaram que muitas das suas propriedades e comportamentos são nitidamente diferentes de outras supernovas em galáxias próximas. Por exemplo, esta supernova teve um período de brilho que se manteve estável durante cerca de 20 dias antes de diminuir, ao passo que o brilho das suas congêneres ricas em metais dura normalmente cerca de 100 dias. O estudo mostrou também que foi ejetada uma grande quantidade de material em movimento rápido durante a explosão, sugerindo que devia estar girando muito depressa quando explodiu. Este resultado implica que as estrelas pobres em metais e de rotação rápida devem ter sido relativamente comuns durante os primeiros tempos do Universo. 

De um modo geral, as observações lançam as bases para os astrônomos melhor explorarem a forma como as estrelas pobres em metais sobrevivem em diferentes ambientes cósmicos e podem mesmo ajudar alguns teóricos a modelar com maior precisão o comportamento das supernovas no Universo primitivo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Ohio State University

Uma supernova próxima podia pôr fim à procura pela matéria escura

A procura pela matéria escura do Universo podia terminar amanhã, caso houvesse uma supernova próxima e tivéssemos um pouco de sorte.

© Casey Reed (ilustração de estrela de nêutrons altamente magnetizada)

A natureza da matéria escura ilude os astrônomos há 90 anos, desde que se percebeu que 85% da matéria do Universo não é visível através dos nossos telescópios. Atualmente, o candidato mais provável à matéria escura é o áxion, uma partícula leve que está sendo desesperadamente procurada. 

Os astrofísicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, argumentam agora que o áxion podia ser descoberto segundos após a detecção de raios gama provenientes da explosão de uma supernova próxima. Os áxions, se existirem, seriam produzidos em quantidades abundantes durante os primeiros 10 segundos após o núcleo de uma estrela massiva colapsar numa estrela de nêutrons, e esses áxions escapariam e seriam transformados em raios gama altamente energéticos no intenso campo magnético da estrela. 

Uma tal detecção só é possível hoje em dia se o único telescópio de raios gama no espaço, o telescópio espacial Fermi, estiver apontando na direção da supernova no momento em que esta explode. Tendo em conta o campo de visão do telescópio, isso representa cerca de uma hipótese em 10. No entanto, uma única detecção de raios gama permitiria determinar a massa do áxion, em particular o chamado áxion QCD (Quantum ChromoDynamics), numa enorme gama de massas teóricas, incluindo intervalos de massas que estão agora sendo analisados em experiências na Terra. 

Contudo, a ausência de uma detecção eliminaria uma grande quantidade de massas potenciais para o áxion e tornaria irrelevante a maioria das atuais pesquisas por matéria escura. O problema é que, para que os raios gama sejam suficientemente brilhantes para serem detectados, a supernova tem de estar próxima, ou seja, dentro da Via Láctea ou de uma das suas galáxias satélite, e as estrelas próximas só explodem, em média, de poucas em poucas décadas. 

A última supernova próxima ocorreu em 1987 na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da Via Láctea. Na ocasião, um telescópio de raios gama, o SMM (Solar Maximum Mission), apontava na direção da supernova, mas não era suficientemente sensível para detectar a intensidade prevista dos raios gama.

No entanto, os pesquisadores receiam que, quando a tão esperada supernova surgir no Universo próximo, não estejamos preparados para ver os raios gama produzidos pelos áxions. Os cientistas estão propondo a construção de telescópios de raios gama para avaliar a viabilidade de lançar um ou uma frota desses telescópios para cobrir 100% do céu 24 horas por dia e ter a certeza de apanhar qualquer explosão de raios gama. Até propuseram um nome para a sua constelação de satélites de raios gama de céu completo: GALAXIS (GALactic AXion Instrument for Supernova). 

A procura pela matéria escura centrou-se inicialmente nos tênues MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), teoricamente espalhados pela nossa Galáxia e pelo cosmos, mas quando estes não se materializaram, os físicos começaram a procurar partículas elementares que teoricamente estão à nossa volta e deveriam ser detectáveis em laboratórios terrestres. Estas WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) também não foram detectadas.

Atualmente, o melhor candidato para a matéria escura é o áxion, uma partícula que se enquadra perfeitamente no modelo padrão da física e que resolve vários outros enigmas importantes da física de partículas. Os áxions também se enquadram perfeitamente na teoria das cordas, uma hipótese sobre a geometria subjacente do Universo, e pode ser capaz de unificar a gravidade, que explica as interações em escalas cósmicas, com a teoria da mecânica quântica, que descreve o infinitesimal.

O áxion teoricamente interage com toda a matéria, embora fracamente, através das quatro forças da natureza: gravidade, eletromagnetismo, a força forte, que mantém os átomos unidos, e a força fraca, que explica a quebra dos átomos. Uma das consequências é que, num campo magnético forte, um áxion pode ocasionalmente transformar-se numa onda eletromagnética, ou fóton. O áxion é distintamente diferente de outra partícula leve e de fraca interação, o neutrino, que apenas interage através da gravidade e da força fraca e ignora totalmente a força eletromagnética. 

As experiências de laboratório - como o Consórcio ALPHA (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), o DMradio e o ABRACADABRA (A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus), todas elas envolvendo pesquisadores da UC Berkeley, utilizam cavidades compactas que, tal como um diapasão, ressoam e amplificam o fraco campo eletromagnético ou fóton produzido quando um áxion de baixa massa se transforma na presença de um forte campo magnético.

Em alternativa, os astrofísicos propuseram a procura de áxions produzidos no interior de estrelas de nêutrons imediatamente após uma supernova de colapso do núcleo, como SN 1987A. Até agora, no entanto, têm-se concentrado principalmente na detecção de raios gama resultantes da lenta transformação destes áxions em fótons nos campos magnéticos das galáxias. Porém, esse processo não é muito eficiente na produção de raios gama, ou pelo menos não o suficiente para ser detectado a partir da Terra. 

Ao invés, foi explorada a produção de raios gama por áxions nos fortes campos magnéticos em torno da própria estrela que os gerou. As simulações em supercomputador mostraram que esse processo cria, de forma muito eficiente, uma explosão de raios gama que depende da massa do áxion, e que a explosão deveria ocorrer simultaneamente com uma explosão de neutrinos do interior da estrela de nêutrons quente. 

As estrelas de nêutrons abrigam campos magnéticos muito fortes. Os campos magnéticos mais fortes do nosso Universo encontram-se em volta das estrelas de nêutrons, como os magnetares, que têm campos magnéticos dezenas de bilhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa que possamos construir em laboratório. Isso ajuda a converter estes áxions em sinais observáveis. 

Há dois anos, os astrofísicos estabeleceram o melhor limite superior para a massa do áxion QCD em cerca de 16 milhões de elétrons-volt, ou seja, cerca de 32 vezes menos do que a massa do elétron. Este valor baseou-se na taxa de arrefecimento das estrelas de nêutrons, que arrefeceriam mais rapidamente se os áxions fossem produzidos juntamente com os neutrinos no interior destes corpos quentes e compactos. 

É previsto que uma detecção de raios gama permita identificar a massa do áxion QCD se esta for superior a 50 μeV (microelétrons-volt). Uma única detecção poderia reorientar as experiências existentes para confirmar a massa do áxion. Embora uma frota de telescópios de raios gama dedicados seja a melhor opção para detectar raios gama de uma supernova próxima, um golpe de sorte com o Fermi seria ainda melhor.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of California

Supernova em forma de dente-de-leão e uma estrela zumbi

Uma supernova histórica, documentada por astrônomos chineses e japoneses em 1181, esteve perdida durante séculos, até muito recentemente.

© Adam Makarenko (ilustração do remanescente de supernova Pa 30)

No entanto, o remanescente recentemente encontrado apresenta algumas características impressionantes. Agora, revela os seus segredos. 

Uma equipe liderada por Tim Cunningham, do Centro de Astrofísica do Harvard & Smithsonian, e por Ilaria Caiazzo, professora assistente do ISTA (Institute of Science and Technology Austria), fornece o primeiro estudo detalhado da estrutura da supernova e da sua velocidade de expansão em 3D. 

Em 1181, uma nova estrela brilhou perto da constelação de Cassiopeia durante seis meses antes de desaparecer. Este acontecimento, registado como uma "estrela convidada" por observadores chineses e japoneses há quase um milênio, intrigou os astrônomos durante séculos. É uma das poucas supernovas que foram documentadas antes da invenção dos telescópios. Além disso, foi a que permaneceu mais tempo "órfã", o que significa que nenhum dos objetos celestes hoje visíveis lhe podia ser atribuído. 

Atualmente conhecida como supernova SN 1181, o seu remanescente só foi localizado em 2021 na nebulosa Pa 30, descoberta em 2013 pelo astrônomo amador Dana Patchick enquanto examinava um arquivo de imagens do telescópio WISE no âmbito de um projeto de ciência cidadã. Mas esta nebulosa não é um típico remanescente de supernova. O intrigante é a presença de uma "estrela zumbi" sobrevivente no seu centro, um remanescente dentro do remanescente.

Pensa-se que SN 1181 tenha ocorrido quando uma explosão termonuclear foi desencadeada numa estrela densa e morta chamada anã branca. Normalmente, a anã branca seria completamente destruída neste tipo de explosão, mas neste caso, parte da estrela sobreviveu, deixando para trás um cadáver estelar. A este tipo de explosão parcial chama-se uma supernova do Tipo Iax. Mais intrigante ainda é o fato de desta estrela zumbi saírem estranhos filamentos, semelhantes às pétalas de uma flor de dente-de-leão. 

Agora, os pesquisadores obtiveram uma visão detalhada e sem precedentes destes estranhos filamentos. Foi possível estudar em pormenor este estranho remanescente de supernova graças ao KCWI (Keck Cosmic Web Imager) do Caltech. O KCWI é um espectrógrafo situado a 4.000 metros de altitude no Observatório W. M. Keck, no Havaí, perto do cume do vulcão Mauna Kea, o pico mais alto da ilha. Como o seu nome indica, o KCWI foi concebido para detectar algumas das fontes de luz mais tênues e escuras do Universo, coletivamente designadas por "teia cósmica". Além disso, o KCWI é tão sensível e inteligentemente concebido que consegue captar informação espectral para cada pixel de uma imagem. Pode também medir o movimento da matéria numa explosão estelar, criando algo como um filme 3D de uma supernova. O KCWI examina a forma como a luz se desloca quando se aproxima ou se afasta de nós, um processo físico semelhante ao conhecido efeito Doppler que conhecemos das sirenes que mudam de tom quando uma ambulância passa por nós. 

Assim, em vez de verem apenas a típica imagem estática de um espetáculo de fogo de artifício comum às observações de supernovas, foi criado um mapa 3D detalhado da nebulosa e dos seus estranhos filamentos. Além disso, foi mostrado que o material nos filamentos viajava balisticamente a cerca de 1.000 quilómetros por segundo.

Para além dos filamentos em forma de dente-de-leão e da sua expansão balística, a forma geral da supernova é muito incomum. A equipe conseguiu demonstrar que o material dentro dos filamentos que é ejetado para longe do local da explosão é incomumente assimétrica. Isto sugere que a assimetria tem origem na própria explosão inicial. Além disso, os filamentos parecem ter uma orla interna aguçada, mostrando uma "lacuna" interna em torno da estrela zumbi.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics