A primeira supernova desse tipo

Esta explosão recém-descoberta revela o funcionamento interno de uma estrela moribunda.

SN 2021yfj é um novo tipo de supernova. Sua progenitora perdeu suas camadas externas bem antes da supernova acontecer, diferentemente de qualquer estrela conhecida na Via Láctea. A estrela moribunda passou por episódios extremos de perda de massa que levaram à ejeção de material rico em silício (mostrado em cinza), enxofre (amarelo) e argônio (roxo). Crédito: Observatório WM Keck/Adam Makarenko 

Uma equipe internacional de cientistas, liderada por astrofísicos da Universidade Northwestern, detectou um tipo nunca antes visto de estrela em explosão, ou supernova, rica em silício, enxofre e argônio. Os astrônomos há muito tempo teorizam que estrelas massivas (de 10 a 100 vezes mais pesadas que o nosso Sol) têm uma estrutura em camadas. As camadas mais externas são compostas pelos elementos mais leves. À medida que as camadas se movem para dentro, os elementos se tornam mais pesados.

Quando estrelas massivas explodem, seus espectros normalmente mostram elementos leves, como hidrogênio e hélio. Mas a supernova recém-descoberta, chamada SN2021yfj, exibiu uma assinatura química surpreendente. As observações sugerem que, de alguma forma, ela perdeu suas camadas externas de hidrogênio, hélio e carbono — expondo as camadas internas ricas em silício e enxofre — antes de explodir. Essa descoberta oferece evidências diretas da estrutura em camadas das estrelas gigantes.

“Esta é a primeira vez que observamos uma estrela que foi essencialmente despojada até os ossos”, disse Steve Schulze, pesquisador associado do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica da Northwestern, que liderou o estudo. “Isso nos mostra como as estrelas são estruturadas e prova que elas podem perder muito material antes de explodir. Elas não só podem perder suas camadas mais externas, como também podem ser completamente despojadas e ainda assim produzir uma explosão brilhante que podemos observar a distâncias muito, muito grandes.”

“Este evento se parece literalmente com nada que alguém já tenha visto antes”, acrescentou Adam Miller, da Northwestern, professor assistente de física e astronomia na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg da Northwestern, um dos autores seniores do estudo. “Foi quase tão estranho que pensamos que talvez não tivéssemos observado o objeto correto. Esta estrela está nos dizendo que nossas ideias e teorias sobre como as estrelas evoluem são muito limitadas. Não é que nossos livros didáticos estejam incorretos, mas eles claramente não capturam completamente tudo o que é produzido na natureza. Deve haver caminhos mais exóticos para uma estrela massiva terminar sua vida que não havíamos considerado.”

Camadas de elementos

Estrelas massivas são alimentadas pela fusão nuclear, onde a pressão e o calor extremos em seus núcleos fazem com que elementos mais leves se fundam, gerando elementos mais pesados. À medida que a estrela evolui, elementos sucessivamente mais pesados ​​são fundidos em uma série de camadas que circundam o núcleo. Esse processo continua, resultando em um núcleo de ferro. Quando o núcleo de ferro colapsa, ocorre o surgimento de uma supernova.

Embora estrelas massivas normalmente desprendam camadas antes de explodir, a SN2021yfj ejetou muito mais material do que os cientistas já haviam detectado. Outras observações de "estrelas despojadas" revelaram camadas de hélio, carbono e oxigênio — expostas após a perda do envoltório externo de hidrogênio. Mas os astrofísicos nunca haviam vislumbrado nada mais profundo do que isso, sugerindo que algo violento deve ter ocorrido.

Observando sua luz

Schulze e sua equipe descobriram o SN2021yfj em setembro de 2021, utilizando o acesso da Northwestern à Instalação Transiente de Zwicky (ZTF). Localizada a leste de San Diego, a ZTF utiliza uma câmera de campo amplo para escanear todo o céu noturno visível. Desde o seu lançamento, a ZTF se tornou o principal mecanismo de descoberta do mundo para fenômenos fugazes, como supernovas.

Após analisar os dados do ZTF, Schulze avistou um objeto extremamente luminoso em uma região de formação estelar localizada a 2,2 bilhões de anos-luz da Terra. Para obter mais informações sobre o misterioso objeto, a equipe queria obter seu espectro. O espectro veio de um colega astrônomo, que o capturou usando instrumentos do Observatório WM Keck, no Havaí.

Uma explosão estranha

Em vez de hélio, carbono, nitrogênio e oxigênio — encontrados nos espectros de outras supernovas — o espectro de N2021yfj era dominado por linhas fortes de silício, enxofre e argônio. Esses elementos mais pesados ​​formam camadas ao redor do núcleo durante os estágios finais da vida de uma estrela massiva.

“Esta estrela perdeu a maior parte do material que produziu ao longo de sua vida”, disse Schulze. “Então, só conseguimos ver o material formado durante os meses imediatamente anteriores à sua explosão. Algo muito violento deve ter acontecido para causar isso.”

A equipe científica está explorando possíveis razões, incluindo interações com uma potencial estrela companheira, uma erupção massiva pré-supernova ou até mesmo ventos estelares excepcionalmente fortes. Mas o mais provável é que esta misteriosa supernova seja o resultado de uma estrela massiva literalmente se desintegrando. À medida que a produção de energia da estrela diminui e a gravidade pode então encolhê-la, o núcleo se torna ainda mais quente e denso. Isso reacende a fusão nuclear de elementos mais pesados, criando poderosas explosões de energia que afastam as camadas externas da estrela. Cada vez que a estrela passa por um novo episódio, o pulso correspondente libera mais material.

“Uma das ejeções de projéteis mais recentes colidiu com um projétil preexistente, o que produziu a emissão brilhante que vimos como SN2021yfj”, disse Schulze.

“Embora tenhamos uma teoria sobre como a natureza criou essa explosão em particular”, disse Miller, “eu não apostaria minha vida que ela esteja correta, porque ainda temos apenas um exemplo descoberto. Esta estrela realmente ressalta a necessidade de descobrir mais dessas raras supernovas para entender melhor sua natureza e como se formam.”

Astronomy.com