Fogo de artifício cósmico de supernova falhada

Há cerca de 900 anos, observadores na China e no Japão registaram uma brilhante "estrela visitante" que apareceu subitamente e permaneceu no céu noturno durante seis meses.

© Chandra, Pan-STARRS, XMM-Newton & WISE (Pa 30)

Os cientistas pensam agora que um remanescente tênue recentemente descoberto, conhecido como Pa 30, remonta a esse evento: uma incompleta explosão de supernova que produziu o surto temporário e luminoso observado em 1181.

As explosões de supernova, que marcam os momentos finais de uma estrela, dividem-se tipicamente em duas categorias principais:

• Supernovas de colapso do núcleo: ocorrem quando uma estrela massiva, com pelo menos dez vezes a massa do nosso Sol, fica sem combustível nuclear. O seu núcleo colapsa sob a ação da gravidade, desencadeando uma explosão catastrófica;

• Supernovas de Tipo Ia: representam a detonação de uma anã branca e requerem um sistema binário, ou seja, duas estrelas que orbitam um centro comum. A explosão pode ser gerada pela fusão de duas anãs brancas, ou por acreção de material de uma estrela companheira (quando o binário é constituído por uma anã branca e uma estrela normal), aumentando constantemente a sua massa até detonar.

Uma nova análise, no entanto, mostra que Pa 30 é o remanescente de um evento mais raro, uma estrela que começou a explodir, mas que não o conseguiu fazer completamente. As condições não eram as ideais para produzir uma detonação terminal da estrela. Em vez disso, queimou elementos mais pesados perto das suas camadas superficiais, sem a destruir totalmente. A combustão nuclear não se transformou numa detonação supersônica.

Quando ocorre uma supernova de Tipo Ia, normalmente uma ou ambas as estrelas são completamente destruídas, gerando uma nuvem de detritos em expansão,- conhecida como remanescente de supernova, que apresenta uma estrutura semelhante a uma couve-flor. Mas em vez de uma nuvem de detritos espessa e caótica, Pa 30 apresenta filamentos longos e retos que irradiam de um núcleo central, como os rastos de um fogo de artifício.

Os astrônomos têm-se esforçado por compreender como os filamentos finos e uniformes de Pa 30 foram formados. Os pesquisadores examinaram o remanescente com telescópios modernos, fizeram simulações e testaram vários cenários antes de chegarem a uma nova explicação. As supernovas são tipicamente brilhantes apenas durante os primeiros meses após a sua detecção, mas o remanescente é observável por telescópios potentes durante centenas de anos, à medida que arrefece. O estudo sugere que a explosão inicial observada em 1181 foi incomumente fraca, permitindo que uma anã branca sobrevivente, provavelmente hipermassiva, permanecesse intacta no centro.

A explosão não criou os filamentos de Pa 30: eles formaram-se depois. Após a detonação falhada, a anã branca sobrevivente começou a lançar um vento rápido e denso, enriquecido com elementos pesados forjados durante a explosão parcial. Este vento é observado atualmente, movendo-se a cerca de 15.000 km/s, ou seja, 5% da velocidade da luz. O vento embateu no gás mais leve que rodeava a estrela. Na fronteira entre o vento denso e o gás leve, havia condições para que a instabilidade de Rayleigh-Taylor, um processo em que um fluido mais pesado (neste caso o vento) empurra um mais leve, atuasse, formando longas plumas semelhantes a dedos. Em Pa 30, essas plumas tornaram-se filamentos lineares e altamente alongados.

O que aconteceu a seguir também é incomum. Normalmente, um segundo processo, a instabilidade de Kelvin-Helmholtz, que é a mistura e o mecanismo de cisalhamento que faz com que os redemoinhos se torçam, rasgaria aqueles longos dedos em pedaços. Mas, no caso de Pa 30, a mistura e o cisalhamento nunca se concretizaram. O vento denso era tão mais pesado do que o gás que a instabilidade de Kelvin-Helmholtz foi suprimida. Como resultado, os filamentos continuaram a esticar-se para fora enquanto o vento continuava a alimentá-los. Pa 30 ficou com uma cavidade central vazia e um halo de filamentos que continuaram se expandindo. As simulações sugerem que um contraste de alta densidade é conducente à formação de tais estruturas filamentares. 

Este tipo de explosão falhada é raro, mas cada vez mais reconhecido como uma subclasse distinta de explosão estelar. Os astrônomos classificam-nos como supernovas de Tipo Iax, um subgrupo incomum que representa uma forma diferente de morte estelar. Pa 30 é um dos poucos casos em que a modelação astrofísica moderna pode ser diretamente associada a um evento registado por observadores há cerca de 900 anos. A "estrela visitante" de 1181 tornou-se um detalhado estudo de caso cósmico, revelando como algumas estrelas morrem não numa única explosão cataclísmica, mas num processo complexo que deixa para trás estruturas surpreendentes.

Embora não se conheçam outras fontes astrofísicas que apresentem a morfologia de fogo de artifício de Pa 30, documentos recentemente divulgados do LANL (Los Alamos National Lab) demonstram que tais estruturas podem surgir em explosões terrestres. São mostradas duas fotografias do teste nuclear de alta altitude "Kingfish" efetuado pelo LANL em 1962. O teste Kingfish fazia parte da Operação Fishbowl, uma série de experiências concebidas para monitorar os efeitos das detonações nucleares em grande altitude nas comunicações militares, sistemas de radar e capacidades de detecção de mísseis durante a Guerra Fria. 

© LANL (detonação da bomba nuclear Kingfish)

A imagem da esquerda foi tirada cerca de 40 milissegundos após a detonação inicial e ilustra a formação de filamentos claros, semelhantes a dedos, que se estendem para a atmosfera em choque e radialmente a partir de um centro comum. A imagem da direita é da mesma explosão, mas 256 milissegundos após a detonação, mostrando que os filamentos inicialmente radiais evoluíram para uma estrutura mais parecida com uma couve-flor que faz lembrar a maioria dos outros remanescentes de supernova.

A bomba nuclear Kingfish foi semelhante às explosões astrofísicas típicas, em que uma quantidade fixa de massa e energia é impulsivamente injetada num meio gasoso; isto contrasta com a origem alimentada pelo vento do remanescente Pa 30, em que a energia e o momento foram continuamente fornecidos à medida que o material se expandia. O fato de a experiência Kingfish ter inicialmente produzido material ejetado que se assemelhava a Pa 30, e que mais tarde se transformaram numa estrutura que faz lembrar a maioria dos outros remanescentes de supernova, sugere que outras explosões astrofísicas não alimentadas pelo vento podem passar por esta mesma fase, embora dure comparativamente pouco tempo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Syracuse University

Nascimento de estrelas num deslumbrante jato cósmico

Uma equipe internacional de astrônomos descobriu a evidência mais inequívoca de que os poderosos jatos lançados por estrelas recém-nascidas registram de forma confiável os mais violentos episódios de crescimento de uma estrela, confirmando um modelo de longa data sobre a forma como estes jatos se propagam através do seu ambiente.

© ALMA / Hubble (SVS 13)

Uma vista "tomográfica", pelo ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), revelando como o jato protoestelar supersônico de SVS 13 interage com o meio ambiente circundante. No fundo, uma imagem do telescópio espacial Hubble mostra a cavidade esculpida pelo fluxo, juntamente com os impressionantes nós de Herbig-Haro visíveis em comprimentos de onda ópticos. A caixa na imagem do Hubble indica a região mostrada nas imagens do ALMA. A cor dos fotogramas nestas imagens indica a velocidade, que varia entre 35 km/s (vermelho) e 97 km/s (azul).

As primeiras observações com o VLA (Very Large Array) identificaram SVS 13 como um notável sistema protoestelar binário que conduz uma cadeia de "balas moleculares" de alta velocidade e choques Herbig-Haro na região de formação estelar NGC 1333, a cerca de 1.000 anos-luz da Terra.

Estas imagens contínuas do VLA identificaram as duas protoestrelas no rádio, VLA 4A e VLA 4B. Revelaram o fluxo em grande escala, o que fez deste sistema um alvo privilegiado para uma exploração mais profunda sobre a forma como as estrelas jovens lançam e colimam jatos. Este trabalho do VLA, que durou décadas, permitiu a identificação da protoestrela que alimenta o jato, agora visto com um detalhe sem precedentes.

Com base nesse legado, novas observações com o ALMA revelaram uma sequência impressionante de anéis moleculares aninhados. À medida que a velocidade observada muda, cada anel encolhe suavemente e muda de posição, traçando conchas ultrafinas, em forma de arco, com apenas algumas dezenas de unidades astronômicas de espessura e movendo-se a velocidades de até cerca de 100 km/s. Cada sequência de anéis no jato tem uma marca temporal de um surto passado, permitindo ler a história de como o material caiu sobre a jovem estrela e foi depois violentamente ejetado de volta para o seu ambiente.

Ao ajustar mais de 400 anéis individuais, foi demonstrado que que cada concha corresponde a um choque em arco de conservação de momento, conduzido por um jato estreito cuja velocidade muda com o tempo. A idade da concha mais jovem está alinhada com um poderoso surto óptico e infravermelho de SVS 13 VLA 4B no início da década de 1990, fornecendo a primeira ligação direta entre surtos de material que cai sobre uma estrela jovem e mudanças na velocidade do seu jato.

Estes resultados mostram que os jatos protoestelares preservam um registo temporal de erupções passadas, oferecendo uma nova perspectiva sobre a forma como as explosões episódicas moldam os discos que eventualmente dão origem a planetas como a Terra.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

O primeiro mapa cósmico SPHEREx

Lançado em março, o telescópio espacial SPHEREx da NASA completou o seu primeiro mapa infravermelho de todo o céu em 102 cores.

© SPHEREx (mapa celeste em 102 cores)

Esta imagem apresenta uma seleção de cores emitidas principalmente por estrelas (azul, verde e branco), hidrogênio quente (azul) e poeira cósmica (vermelho).

Embora não sejam visíveis ao olho humano, estes 102 comprimentos de onda de luz infravermelha são predominantes no cosmos e a observação de todo o céu, desta forma, permite aos cientistas responder a grandes questões, incluindo a forma como um evento dramático que ocorreu no primeiríssimo instante, cerca de 1/10³³ segundos após o Big Bang influenciou a distribuição 3D de centenas de milhões de galáxias no nosso Universo.

Para além disso, os cientistas vão usar os dados para estudar a forma como as galáxias mudaram ao longo dos quase 14 bilhões de anos de história do Universo e aprender mais sobre a distribuição de ingredientes chave para a vida na nossa própria Galáxia.

Dando a volta à Terra cerca de 14 vezes e meia por dia, o SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer) viaja de norte para sul, passando pelos polos. Todos os dias capta cerca de 3.600 imagens ao longo de uma faixa circular do céu e, à medida que os dias passam e o planeta se desloca em torno do Sol, o campo de visão do SPHEREx também muda. Ao fim de seis meses, o observatório já olhou para o espaço em todas as direções, captando todo o céu em 360 graus.

Gerida pelo Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA, a missão começou a mapear o céu em maio e completou o seu primeiro mosaico de todo o céu em dezembro. Durante a sua missão primária de dois anos, efetuará mais três varrimentos de todo o céu e a fusão desses mapas aumentará a sensibilidade das medições. O conjunto completo de dados está disponível gratuitamente para os cientistas e para o público.

Cada uma das 102 cores detectadas pelo SPHEREx representa um comprimento de onda infravermelho, e cada comprimento de onda fornece informações únicas sobre as galáxias, estrelas, regiões de formação planetária e outras características cósmicas. Por exemplo, nuvens densas de poeira na nossa Galáxia, onde se formam estrelas e planetas, irradiam intensamente em certos comprimentos de onda, mas não emitem luz em outros. O processo de separar a luz de uma fonte nos comprimentos de onda que a compõem é designado por espectroscopia.

E embora algumas missões anteriores tenham também mapeado todo o céu, como a WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA, nenhuma o fez com tantas cores como o SPHEREx. Em contraste, o telescópio espacial James Webb pode efetuar espectroscopia com um número significativamente maior de comprimentos de onda de luz do que o SPHEREx, mas com um campo de visão milhares de vezes menor. A combinação de cores e um campo de visão tão alargado é a razão pela qual o SPHEREx é tão poderoso.

Para realizar esta proeza, o SPHEREx utiliza seis detectores, cada um deles emparelhado com um filtro especialmente concebido que contém um gradiente de 17 cores. Isto significa que cada imagem obtida com estes seis detectores contém 102 cores, e que cada mapa do céu que o SPHEREx produz é na realidade 102 mapas, cada um com uma cor diferente. O observatório utilizará estas cores para medir a distância a centenas de milhões de galáxias. Embora as posições da maioria dessas galáxias já tenham sido mapeadas em duas dimensões por outros observatórios, o mapa do SPHEREx será em 3D, permitindo aos cientistas medir variações sutis na forma como as galáxias estão agrupadas e distribuídas pelo Universo.

Fonte: NASA

Revelado o maior e mais caótico berçário de planetas já encontrado

Com o telescópio espacial Hubble, astrônomos obtiveram imagens do maior disco protoplanetário alguma vez observado em torno de uma estrela jovem.

© Hubble (IRAS 23077+6707)

Pela primeira vez em luz visível, o telescópio espacial Hubble revelou que o disco é inesperadamente caótico e turbulento, com filamentos de material que se estendem muito mais acima e abaixo do disco do que foi visto em qualquer sistema semelhante.

Estranhamente, os filamentos mais extensos só são visíveis num dos lados do disco. As descobertas constituem um novo marco para o Hubble e lançam luz sobre a maneira como os planetas podem se formar em ambientes extremos.

Localizado a cerca de 1.000 anos-luz da Terra, IRAS 23077+6707, apelidado de "Chivito de Drácula", estende-se por mais de 600 bilhões de quilômetros, 40 vezes a distância até ao limite exterior do Cinturão de Kuiper do Sistema Solar.

O disco obscurece a jovem estrela no seu interior, que os cientistas pensam poder ser uma estrela quente e massiva, ou um par de estrelas. E o enorme disco não é apenas o maior disco de formação planetária conhecido; está também se tornando num dos mais incomuns.

A alcunha "Chivito de Drácula" reflete de forma engraçada o legado dos seus pesquisadores, um da Transilvânia e outra do Uruguai, onde o prato nacional é um sanduíche chamado chivito.

O disco, visto de lado, assemelha-se a um hambúrguer, com uma faixa central escura ladeada por brilhantes camadas superiores e inferiores de poeira e gás. A altura impressionante destas características não foi a única coisa que captou a atenção dos cientistas. As novas imagens revelaram que as características semelhantes a filamentos, verticalmente imponentes, aparecem apenas num dos lados do disco, enquanto o outro lado parece ter uma orla pronunciada e não ter filamentos visíveis. Esta estrutura peculiar e assimétrica sugere que processos dinâmicos, como a recente queda de poeira e gás, ou interações com os seus arredores, estão moldando o disco.

Todos os sistemas planetários são formados a partir de discos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens. Com o tempo, o gás é acretado para a estrela e os planetas emergem do material remanescente. O IRAS 23077+6707 pode representar uma versão ampliada do nosso Sistema Solar primitivo, com uma massa de disco estimada em 10 a 30 vezes a de Júpiter, material suficiente para formar múltiplos gigantes gasosos. Este fato, juntamente com as novas descobertas, torna-o um caso excepcional para estudar o nascimento de sistemas planetários.

Em teoria, IRAS 23077+6707 poderia abrigar um vasto sistema planetário. Embora a formação planetária possa ser diferente em ambientes tão massivos, os processos subjacentes são provavelmente semelhantes.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics