Luz ultravioleta revela as consequências de uma rara colisão estelar

Astrônomos da Universidade de Warwick descobriram evidências convincentes de que uma anã branca próxima é, na verdade, o remanescente da fusão de duas estrelas — uma rara descoberta estelar revelada por observações ultravioleta do Telescópio Espacial Hubble do carbono na atmosfera quente da estrela.

Ilustração de uma fusão entre uma anã branca com uma estrela subgigante (não à escala) que teria ocorrido no passado. Crédito: Snehalata Sahu/Universidade de Warwick 

Anãs brancas são os núcleos densos deixados para trás quando as estrelas esgotam seu combustível e colapsam. São brasas estelares do tamanho da Terra, pesando tipicamente metade do Sol, compostas por núcleos de carbono-oxigênio com camadas superficiais de hélio e hidrogênio. Embora anãs brancas sejam comuns no universo, aquelas com massa excepcionalmente alta (pesando mais que o Sol) são raras e enigmáticas.

Em um artigo publicado hoje na Nature Astronomy , astrônomos de Warwick relatam suas investigações sobre uma anã branca de alta massa conhecida, a 130 anos-luz de distância, chamada WD 0525+526. Com uma massa 20% maior que a do nosso Sol, WD 0525+526 é considerada "ultramassiva", e como essa estrela surgiu ainda não é totalmente compreendido.

Uma anã branca como essa poderia se formar a partir do colapso de uma estrela massiva. No entanto, dados ultravioleta do Telescópio Espacial Hubble revelaram que WD 0525+526 possui pequenas quantidades de carbono subindo de seu núcleo para sua atmosfera rica em hidrogênio — sugerindo que essa anã branca não se originou de uma única estrela massiva.

“Na luz óptica (o tipo de luz que vemos com nossos olhos), WD 0525+526 parece uma anã branca pesada, mas comum”, disse a Dra. Snehalata Sahu, primeira autora do estudo e pesquisadora da Universidade de Warwick. “No entanto, por meio de observações ultravioleta obtidas com o Hubble, conseguimos detectar assinaturas tênues de carbono que não eram visíveis a telescópios ópticos.”

Encontrar pequenas quantidades de carbono na atmosfera é um sinal revelador de que esta enorme anã branca provavelmente seja o remanescente de uma fusão entre duas estrelas em colisão. Também nos diz que pode haver muitos outros remanescentes de fusão como este, disfarçados de anãs brancas com atmosfera de hidrogênio puro comum. Somente observações no ultravioleta seriam capazes de revelá-los.

Normalmente, o hidrogênio e o hélio formam um envelope espesso, semelhante a uma barreira, ao redor do núcleo de uma anã branca, mantendo elementos como o carbono ocultos. Na fusão de duas estrelas, as camadas de hidrogênio e hélio podem queimar quase completamente à medida que as estrelas se combinam. A estrela resultante tem um envelope muito fino que não impede mais que o carbono atinja a superfície — é exatamente isso que se encontra em WD 0525+526.

Antoine Bédard, bolsista do Prêmio Warwick no grupo de Astronomia e Astrofísica de Warwick e coautor principal, disse: "Medimos que as camadas de hidrogênio e hélio são dez bilhões de vezes mais finas do que em anãs brancas típicas. Acreditamos que essas camadas foram removidas na fusão, e é isso que agora permite que o carbono apareça na superfície."

Mas este remanescente também é incomum: possui cerca de 100.000 vezes menos carbono em sua superfície em comparação com outros remanescentes de fusão. O baixo nível de carbono, juntamente com a alta temperatura da estrela (quase quatro vezes mais quente que o Sol), nos diz que WD 0525+526 está muito mais adiantada em sua evolução pós-fusão do que aquelas encontradas anteriormente. Esta descoberta nos ajuda a compreender melhor o destino dos sistemas estelares binários, o que é crucial para fenômenos relacionados, como explosões de supernovas.

O mistério se soma à forma como o carbono chega à superfície nesta estrela muito mais quente. Os outros remanescentes da fusão estão em um estágio mais avançado de evolução e são frios o suficiente para que a convecção traga o carbono à superfície. Mas WD 0525+526 é quente demais para esse processo. Em vez disso, a equipe identificou uma forma mais sutil de mistura chamada semiconvecção, vista aqui pela primeira vez em uma anã branca. Esse processo permite que pequenas quantidades de carbono subam lentamente para a atmosfera rica em hidrogênio da estrela.

"Encontrar evidências claras de fusões em anãs brancas individuais é raro", acrescentou o professor Boris Gänsicke, do Departamento de Física da Universidade de Warwick, que obteve os dados do Hubble para este estudo. "Mas a espectroscopia ultravioleta nos permite detectar esses sinais precocemente, quando o carbono ainda é invisível em comprimentos de onda ópticos. Como a atmosfera da Terra bloqueia a luz ultravioleta, essas observações precisam ser realizadas do espaço, e atualmente apenas o Hubble pode fazer isso."

“O Hubble acabou de completar 35 anos e, embora continue forte, é muito importante que comecemos a planejar um novo telescópio espacial que eventualmente o substituirá.”

À medida que WD 0525+526 continua a evoluir e a esfriar, espera-se que mais carbono emerja de sua superfície ao longo do tempo. Por enquanto, seu brilho ultravioleta oferece um raro vislumbre do estágio inicial das consequências de uma fusão estelar — e um novo parâmetro para o fim da vida de estrelas binárias.

Universidade de Warwick