Astrónomos observam a explosão de estrelas em tempo real

Os astrónomos captaram imagens detalhadas e sem precedentes de duas explosões estelares - conhecidas como novas - poucos dias após a sua erupção. A descoberta fornece evidências diretas de que estas explosões são mais complexas do que se pensava, com múltiplos fluxos de material e, em alguns casos, atrasos dramáticos no processo de ejeção.

 Imagens da Nova Herculis 2021 (V1674 Her) obtidas com o CHARA, dois e três dias após o início da erupção. As imagens mostram dois fluxos a expandir-se em direções quase perpendiculares, formando uma estrutura tipo ampulheta consistente com as previsões teóricas (ilustrada na impressão artística mais à direita). Crédito: CHARA

O estudo internacional, publicado na revista Nature Astronomy, utilizou uma técnica de ponta chamada interferometria no CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy), no estado norte-americano da Califórnia. Esta abordagem permitiu aos cientistas, incluindo a investigadora da Universidade do Estado do Michigan, Laura Chomiuk, combinar a luz de vários telescópios, alcançando a resolução nítida necessária para obter imagens diretas das explosões em rápida evolução.

As descobertas desafiam a ideia há muito defendida de que as erupções das novas são eventos únicos e impulsivos. Em vez disso, apontam para uma variedade de vias de ejeção, incluindo fluxos múltiplos e libertação tardia do invólucro, reformulando a nossa compreensão destas explosões cósmicas.

"As novas são mais do que fogo de artifício na nossa Galáxia - são laboratórios de física extrema", disse a professora de física e astronomia Laura Chomiuk. "Ao ver como e quando o material é ejetado, podemos finalmente ligar os pontos entre as reações nucleares na superfície da estrela, a geometria do material ejetado e a radiação altamente energética que detetamos no espaço".

As novas ocorrem quando um remanescente estelar denso, chamado anã branca, sofre uma reação nuclear descontrolada depois de ter roubado material da sua estrela companheira. Até há pouco tempo, os astrónomos só podiam inferir indiretamente as fases iniciais destas erupções, porque o material em expansão aparecia como um único ponto de luz não resolvido.

Revelar a forma como o material ejetado é expelido e interage é crucial para compreender como as ondas de choque nas novas se formam, que foram descobertas pela primeira vez pelo instrumento LAT (Large Area Telescope) do Fermi da NASA. Nos seus primeiros 15 anos, o LAT do Fermi detetou emissões GeV de mais de 20 novas, estabelecendo estas explosões como emissoras de raios gama galácticos e realçando o seu potencial como fontes multi-mensageiras.

Um conto de duas novas

A equipa obteve imagens de duas novas muito diferentes que entraram em erupção em 2021. Uma, Nova V1674 Herculis, foi uma das mais rápidas de que há registo, aumentando de brilho e desaparecendo em apenas alguns dias. As imagens revelaram dois fluxos de gás distintos e perpendiculares - evidência de que a explosão foi alimentada por múltiplas ejeções em interação. De forma notável, estes novos fluxos emergentes apareceram nas imagens enquanto o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA detetava raios gama altamente energéticos, ligando diretamente a emissão de choque aos fluxos de gás em colisão.

A segunda, Nova V1405 Cassiopeiae, evoluiu muito mais lentamente. Surpreendentemente, manteve as suas camadas exteriores durante mais de 50 dias antes de finalmente as ejetar, fornecendo a primeira evidência clara de uma expulsão tardia. Quando o material foi finalmente expelido, novos choques foram despoletados - produzindo novamente raios gama vistos pelo Fermi da NASA.

Imagens da Nova Cassiopeiae 2021 (V1405 Cas) obtidas com o CHARA entre 55 e 67 dias após o início da erupção. As duas primeiras imagens revelam que, mesmo após quase 50 dias, a nova ainda não tinha expelido a maior parte do seu material. Em contraste, a imagem final - obtida duas semanas depois - mostra a eventual ejeção de material em grande escala, que coincidiu com o início da emissão de raios gama altamente energéticos detetada pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA. Crédito: CHARA

"Estas observações permitem-nos assistir a uma explosão estelar em tempo real, algo que é muito complicado e que há muito se pensa ser extremamente desafiante", disse o professor Elias Aydi, autor principal do estudo e professor de física e astronomia na Universidade de Tecnologia do Texas. "Em vez de vermos apenas um simples clarão de luz, estamos agora a descobrir a verdadeira complexidade da forma como estas explosões se desenrolam. É como passar de uma fotografia a preto e branco granulada para um vídeo de alta-definição".

Revelando estruturas ocultas

A capacidade de resolver detalhes tão finos resulta da utilização da interferometria, a mesma técnica que tornou possível obter imagens do buraco negro no centro da nossa Galáxia. Estas imagens nítidas foram complementadas por espetros de grandes observatórios como o Gemini, que seguiram a evolução das impressões digitais do gás ejetado. À medida que apareciam novas características nos espetros, estas alinhavam-se com as estruturas reveladas nas imagens interferométricas, fornecendo uma poderosa confirmação de um para um da forma como os fluxos se estavam a moldar e a colidir.

"Este é um avanço extraordinário", comenta Jon Monnier, da Universidade do Michigan, coautor do estudo e perito em imagens interferométricas. "O facto de podermos agora observar a explosão de estrelas e ver imediatamente a estrutura do material que é lançado para o espaço é notável. Abre uma nova janela para alguns dos acontecimentos mais dramáticos do Universo".

Os resultados não só revelam uma complexidade inesperada nas novas, como também ajudam a explicar as suas poderosas ondas de choque, conhecidas por produzirem radiação altamente energética como os raios gama. O telescópio Fermi da NASA foi o instrumento chave na descoberta desta ligação, estabelecendo as novas como laboratórios naturais para o estudo da física de choque e da aceleração de partículas.

"Isto é apenas o início", disse Aydi. "Com mais observações como estas, podemos finalmente começar a responder a grandes questões sobre como as estrelas vivem, morrem e afetam o seu ambiente. As novas, outrora vistas como simples explosões, estão a revelar-se muito mais ricas e fascinantes do que imaginávamos".

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