Por que as estrelas giram para trás ou para frente antes de morrerem?

Quioto, Japão — Do nascimento à morte, as estrelas geralmente reduzem sua velocidade de rotação em 100 a 1000 vezes a sua velocidade inicial; em outras palavras, elas  diminuem sua rotação . O momento angular total do Sol diminui à medida que o material é gradualmente expelido de sua superfície pelo vento solar. Observando esse fenômeno, os astrônomos teorizaram que a interação entre campos magnéticos e o fluxo de plasma seja a maneira mais eficiente de diminuir a rotação das estrelas. 

Ilustração das regiões internas de uma estrela massiva durante a sua fase final de combustão das camadas de oxigénio (verde) e silício (verde-azulado), antes do colapso do núcleo de ferro (azul-escuro). A intensidade e a geometria do campo magnético, combinadas com as propriedades da convecção na região do oxigénio, podem fazer com que a velocidade de rotação aumente ou diminua. Crédito: Universidade de Quioto/Lucy McNeill

O porquê e o como disso acontece há muito tempo interessa aos astrônomos, e recentemente uma técnica de observação chamada  astrosismologia , que mede as frequências de oscilação natural de uma estrela,  tornou possível medir as taxas de rotação interna e os campos magnéticos de outras estrelas em nossa galáxia. A partir dessa enorme população, emergiu um panorama de como a rotação estelar diminui com a idade da estrela, um panorama que sugere que a teoria atual é insuficiente para explicar a drástica redução na rotação.

Fascinada pela astrosismologia e pelas simulações 3D da zona convectiva solar feitas por outros pesquisadores, uma equipe de cientistas da Universidade de Kyoto se inspirou a investigar como os campos magnéticos afetam a rotação dentro de estrelas massivas.

"Nossos coautores na Austrália e no Reino Unido já realizaram  simulações magnetohidrodinâmicas 3D para estrelas massivas antes do colapso do núcleo. Suspeitávamos que o fluxo dentro da zona convectiva da estrela massiva pudesse evoluir de forma análoga à zona convectiva solar", afirma o líder da equipe, Ryota Shimada.

Com uma simulação 3D de uma estrela massiva, os pesquisadores conseguiram investigar diretamente a complexa interação entre convecção violenta, rotação e campos magnéticos. Eles confirmaram que a rotação interna e o campo magnético coevoluem de forma semelhante ao  dínamo solar : o processo energético que sustenta o campo magnético do nosso Sol. Com essas equações em mãos, a equipe conseguiu prever matematicamente a evolução da rotação interna da estrela ao longo do tempo.

A simulação revela que a velocidade e a direção dos movimentos convectivos foram influenciadas pela rotação e pelos campos magnéticos em curtos períodos de tempo, o que, por sua vez, altera a rotação, fazendo com que ela diminua ou — em alguns casos — aumente sua velocidade. A equipe conseguiu formular a interação entre convecção, rotação e campos magnéticos como um modelo para o transporte radial de momento angular para fora e para dentro, mostrando que esse transporte nas fases posteriores da combustão está diretamente relacionado à geometria do campo magnético.

"Ficamos surpresos ao descobrir que algumas configurações dos campos magnéticos realmente aceleram a rotação do núcleo, sugerindo que a taxa de rotação final será única para as propriedades da estrela", diz a coautora Lucy McNeill. "A rotação lenta pode até ser proibida em algumas classes de estrelas massivas."

A descoberta do transporte de momento angular magnético durante fases avançadas de combustão sugere que a teoria desenvolvida para descrever a rotação em estrelas do tipo solar pode ser universal. Em seguida, a equipe planeja criar simulações de evolução estelar que representem toda a vida útil de várias estrelas, de baixa a alta massa, para prever suas taxas de rotação durante os diversos estágios evolutivos.

Universidade de Quioto