Supernova falhada, fogo de artifício cósmico

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. Os cientistas pensam agora que um remanescente ténue 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.

Pa 30 é um remanescente de supernova com uma estrela central na constelação de Cassiopeia. É aqui fotografada combinando imagens de vários telescópios. Crédito: raios X pelo Chandra - NASA/CXC/Universidade de Manitoba/C. Treyturik, raios X pelo XMM-Newton - ESA/C. Treyturik; ótico pelo Pan-STARRS - NOIRLab/MDM/Dartmouth/R. Fesen; infravermelho pelo WISE - NASA/JPL/Caltech/; processamento de imagem - Universidade de Manitoba/Gilles Ferrand e Jayanne English

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 - duas estrelas que orbitam um centro comum. A explosão pode ser gerada pela fusão de duas anãs brancas (quando o binário é constituído por 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 bem-sucedida, ou a explosão terminal, da estrela", diz Eric Coughlin, professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Syracuse. "Em vez disso, queimou elementos mais pesados perto das suas camadas superficiais, sem a destruir totalmente. A combustão nuclear não se transformou numa detonação supersónica". As descobertas de Coughlin foram publicadas na revista The Astrophysical Journal Letters.

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. A nova análise liderada por Coughlin ajuda a explicar porquê.

Uma supernova que não conseguiu completar o trabalho

Os astrónomos têm-se esforçado por compreender como os filamentos finos e uniformes de Pa 30 foram formados. Os investigadores 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 deteção, mas o remanescente é observável por telescópios potentes durante centenas de anos, à medida que arrefece", diz Coughlin.

O estudo sugere que a explosão inicial observada em 1181 foi invulgarmente 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 quilómetros por segundo, 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 invulgar. Normalmente, um segundo processo - a instabilidade de Kelvin-Helmholtz, que é a mistura e o mecanismo de cisalhamento que faz com que os redemoinhos de fumo 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 a expandir-se. As simulações sugerem que um contraste de alta densidade é conducente à formação de tais estruturas filamentares, mas os autores tencionam efetuar uma investigação numérica mais detalhada em trabalho futuro.

Um remanescente raro - e um sinal de que pode haver mais

Coughlin e os seus colegas suspeitam que Pa 30 não é único. Este tipo de explosão falhada é raro, mas cada vez mais reconhecido como uma subclasse distinta de explosão estelar. Os astrónomos classificam-nos como supernovas de Tipo Iax, um subgrupo invulgar que representa uma forma diferente de morte estelar.

"Estes tipos de estruturas filamentares podem estar presentes noutros fenómenos astrofísicos que albergam ventos densos, como os eventos de perturbação de marés, que ocorrem quando uma estrela é destruída pelo campo gravitacional de um buraco negro supermassivo", diz Coughlin.

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. 

Evidências terrestres

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 remanescenstes de supernova. Crédito: LANL

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 monitorizar os efeitos das detonações nucleares a grande altitude nas comunicações militares, sistemas de radar e capacidades de deteção de mísseis durante a Guerra Fria. A imagem da esquerda destaca os filamentos radiais que se formaram após a explosão inicial, enquanto a imagem da direita demonstra que esses mesmos filamentos se transformaram numa estrutura semelhante a uma couve-flor.

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 facto 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.

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