Raro sistema estelar quádruplo pode desvendar o mistério das anãs marrons

A descoberta emocionante de um sistema estelar quádruplo extremamente raro pode avançar significativamente nossa compreensão das anãs marrons, afirmam os astrônomos. Esses objetos misteriosos são grandes demais para serem considerados um planeta, mas também pequenos demais para serem uma estrela, pois não têm massa suficiente para manter a fusão de átomos e se transformar em sóis completos.

Impressão artística do sistema UPM J1040-3551 contra o pano de fundo da Via Láctea, conforme observado por Gaia. À esquerda, UPM J1040-3551 Aa e Ab aparecem como um ponto laranja brilhante distante, com uma inserção revelando essas duas estrelas do tipo M em órbita. À direita, em primeiro plano, um par de anãs marrons frias — UPM J1040-3551 Ba e Bb — orbitam uma à outra por um período de décadas, enquanto, coletivamente, orbitam UPM J1040-3551 Aab em uma órbita vasta que leva mais de 100.000 anos para ser completada. Crédito: Jiaxin Zhong/Zenghua Zhang 

Em uma pesquisa publicada no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , astrônomos identificaram um sistema estelar quádruplo hierárquico extremamente raro, constituído por um par de anãs marrons frias orbitando um par de estrelas anãs vermelhas jovens, localizado a 82 anos-luz da Terra na constelação de Antlia.

O sistema, denominado UPM J1040−3551 AabBab, foi identificado por uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo professor Zenghua Zhang, da Universidade de Nanquim.

Os pesquisadores fizeram sua descoberta usando a velocidade angular comum medida pelo satélite astrométrico Gaia da Agência Espacial Europeia e pelo Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) da NASA, seguida por observações espectroscópicas e análises abrangentes.

Isso ocorre porque esse amplo par binário leva mais de 100.000 anos para completar uma órbita em torno um do outro, de modo que seu movimento orbital não pode ser observado em anos. Os pesquisadores, portanto, tiveram que analisar como eles se movem na mesma direção com a mesma velocidade angular.

Neste sistema, Aab se refere ao par estelar mais brilhante Aa e Ab, enquanto Bab se refere ao par subestelar mais fraco Ba e Bb.

"O que torna essa descoberta particularmente interessante é a natureza hierárquica do sistema, necessária para que sua órbita permaneça estável por um longo período de tempo", disse o professor Zhang.

"Esses dois pares de objetos orbitam um ao outro separadamente por períodos de décadas, enquanto os pares também orbitam um centro de massa comum por um período de mais de 100.000 anos."

Os dois pares estão separados por 1.656 unidades astronômicas (UA), onde 1 UA equivale à distância Terra-Sol. O par mais brilhante, UPM J1040−3551 Aab, consiste em duas estrelas anãs vermelhas de massas quase iguais , que parecem alaranjadas quando observadas em comprimentos de onda visíveis .

Com uma magnitude visual de 14,6, este par é aproximadamente 100.000 vezes mais fraco que Polaris (a Estrela Polar) em comprimentos de onda visíveis. De fato, nenhuma estrela anã vermelha é brilhante o suficiente para ser vista a olho nu — nem mesmo Proxima Centauri, nossa vizinha estelar mais próxima, a 4,2 anos-luz de distância. Para tornar UPM J1040−3551 Aab visível sem auxílio óptico, este par binário precisaria ser levado a 1,5 ano-luz da Terra, colocando-o mais perto do que qualquer estrela em nossa vizinhança cósmica atual.

O par mais fraco, UPM J1040−3551 Bab, são duas anãs marrons muito mais frias que praticamente não emitem luz visível e parecem cerca de 1.000 vezes mais fracas que o par Aab quando observadas em comprimentos de onda do infravermelho próximo, onde são mais facilmente detectadas.

A natureza binária próxima de UPM J1040−3551 Aab foi inicialmente suspeitada devido ao seu fotocentro oscilante durante as observações de Gaia e confirmada por seu brilho incomum — aproximadamente 0,7 magnitude mais brilhante do que uma única estrela com a mesma temperatura na mesma distância, já que a luz combinada do par de massas quase iguais efetivamente dobra a saída.

Da mesma forma, UPM J1040−3551 Bab foi identificada como outra binária próxima por meio de suas medições infravermelhas anormalmente brilhantes em comparação com anãs marrons típicas de seu tipo espectral. A análise de ajuste espectral corroborou fortemente essa conclusão, com modelos binários fornecendo uma correspondência significativamente melhor do que modelos de objeto único.

O Dr. Felipe Navarete, do Laboratório Nacional de Astrofísica do Brasil, liderou as observações espectroscópicas críticas que ajudaram a caracterizar os componentes do sistema.

Usando o espectrógrafo Goodman no Telescópio de Pesquisa Astrofísica do Sul (SOAR) no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, um programa do NSF NOIRLab, o Dr. Navarete obteve espectros ópticos do par mais brilhante, enquanto também capturava espectros no infravermelho próximo do par mais fraco com o instrumento TripleSpec do SOAR.

"Essas observações foram desafiadoras devido à fraqueza das anãs marrons", disse o Dr. Navarete, "mas os recursos do SOAR nos permitiram coletar dados espectroscópicos cruciais necessários para entender a natureza desses objetos".

A análise revelou que ambos os componentes do par mais brilhante são anãs vermelhas do tipo M, com temperaturas de aproximadamente 3.200 Kelvin (cerca de 2.900 °C) e massas de cerca de 17% da do Sol.

O par mais fraco são objetos mais exóticos: duas anãs marrons do tipo T com temperaturas de 820 Kelvin (550°C) e 690 Kelvin (420°C), respectivamente.

Anãs marrons são objetos pequenos e densos de baixa massa. As anãs marrons deste sistema têm tamanhos semelhantes aos do planeta Júpiter, mas massas estimadas entre 10 e 30 vezes maiores. De fato, na extremidade inferior dessa faixa, esses objetos poderiam ser considerados objetos de "massa planetária".

"Este é o primeiro sistema quádruplo já descoberto com um par de anãs marrons do tipo T orbitando duas estrelas", disse a Dra. MariCruz Gálvez-Ortiz, do Centro de Astrobiologia da Espanha, coautora do artigo científico. "A descoberta fornece um laboratório cósmico único para o estudo desses objetos misteriosos." 

Ao contrário das estrelas, as anãs marrons resfriam-se continuamente ao longo de sua vida, o que altera suas propriedades observáveis, como temperatura, luminosidade e características espectrais. Esse processo de resfriamento cria um desafio fundamental na pesquisa sobre anãs marrons, conhecido como o "problema da degeneração idade-massa".

Uma anã marrom isolada com uma certa temperatura pode ser um objeto mais jovem e menos massivo ou um objeto mais antigo e mais massivo — os astrônomos não conseguem distinguir entre essas possibilidades sem informações adicionais.

"Anãs marrons com companheiras estelares largas, cujas idades podem ser determinadas independentemente, são inestimáveis ​​para quebrar essa degeneração como referências de idade", explicou o professor Hugh Jones, da Universidade de Hertfordshire, coautor do artigo de pesquisa.

"A UPM J1040−3551 é particularmente valiosa porque a emissão de H-alfa do par mais brilhante indica que o sistema é relativamente jovem, entre 300 milhões e 2 bilhões de anos."

A equipe acredita que o par de anãs marrons (UPM J1040−3551 Bab) poderia potencialmente ser resolvido com técnicas de imagem de alta resolução no futuro, permitindo medições precisas de seu movimento orbital e massas dinâmicas.

"Este sistema oferece um benefício duplo para a ciência das anãs marrons", disse o copesquisador Professor Adam Burgasser, da Universidade da Califórnia em San Diego. "Ele pode servir como referência de idade para calibrar modelos de atmosfera de baixa temperatura e como referência de massa para testar modelos evolutivos, se conseguirmos resolver o binário das anãs marrons e rastrear sua órbita."

A descoberta do sistema UPM J1040−3551 representa um avanço significativo na compreensão desses objetos elusivos e dos diversos caminhos de formação de sistemas estelares na vizinhança do Sol.

Phys.org