Hubble descobre raro remanescente de fusão de anã branca

Uma equipe internacional de astrônomos, utilizando o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, descobriu uma raridade estelar: uma anã branca ultramassiva que se formou quando uma anã branca se fundiu com outra estrela, e não pela evolução de uma única estrela. Essa descoberta, possibilitada pelas sensíveis observações ultravioleta do Hubble, sugere que essas raras anãs brancas podem ser mais comuns do que se suspeitava anteriormente.

Esta ilustração mostra uma estrela anã branca extraindo material de uma estrela gigante vermelha. A anã branca tem uma longa cauda atrás de si e uma onda de choque laranja à sua frente enquanto atravessa a atmosfera estendida da gigante vermelha, mostrada como um brilho vermelho. Um amplo fluxo de gás vermelho é puxado da superfície da gigante vermelha para a anã branca. Crédito: NASA, ESA, R. Crawford (STScI)

Uma anã branca é o estado final de uma estrela que não é massiva o suficiente para explodir como uma supernova de colapso de núcleo. A transição para uma anã branca começa quando uma estrela esgota o suprimento de hidrogênio em seu núcleo. As mudanças dentro e ao redor do núcleo da estrela fazem com que ela expulse suas camadas externas em um suspiro estelar massivo, revelando o núcleo denso da estrela, do tamanho da Terra, que evolui para uma anã branca. Os núcleos das anãs brancas são compostos principalmente de carbono e oxigênio ou oxigênio e neônio, dependendo da massa da estrela progenitora. O Sol se tornará uma anã branca em cerca de 5 bilhões de anos.

Anãs brancas podem teoricamente ter massas de até 1,4 vezes a massa do Sol, mas anãs brancas mais massivas que o Sol são raras. Esses objetos, que os astrônomos chamam de anãs brancas ultramassivas, podem se formar pela evolução de uma única estrela massiva ou pela fusão de uma anã branca com outra estrela.

Recentemente, astrônomos usaram o Cosmic Origins Spectrograph do Hubble para investigar uma dessas anãs brancas ultramassivas, WD 0525+526. WD 0525+526 está a apenas 128 anos-luz de distância e é 20% mais massiva que o Sol.

Na luz visível, o espectro da atmosfera de WD 0525+526 assemelhava-se ao de uma anã branca típica. No entanto, o espectro ultravioleta do Hubble revelou algo incomum: evidências de carbono na atmosfera da anã branca.

Anãs brancas que se formam pela evolução de uma única estrela têm atmosferas compostas de hidrogênio e hélio. Essas atmosferas espessas recobrem a superfície de carbono-oxigênio ou oxigênio-neônio da anã branca, geralmente impedindo que esses elementos apareçam em seu espectro.

Quando o carbono aparece no espectro de uma anã branca, pode sinalizar uma origem mais violenta do que o cenário típico de uma única estrela: a colisão de duas anãs brancas, ou de uma anã branca com uma estrela subgigante. Tal colisão pode queimar as atmosferas de hidrogênio e hélio das estrelas em colisão, deixando para trás uma escassa camada de hidrogênio e hélio ao redor do remanescente da fusão, o que permite que o carbono do núcleo da anã branca flutue para cima, onde pode ser detectado.

“É uma descoberta que destaca que as coisas podem ser diferentes do que nos parecem à primeira vista”, disse o pesquisador principal do programa Hubble, Boris Gaensicke, da Universidade de Warwick, no Reino Unido. “Até agora, ela parecia uma anã branca normal, mas os olhos ultravioleta do Hubble revelaram que ela tinha uma história muito diferente do que poderíamos imaginar. É como fazer uma pergunta diferente a uma pessoa que você acha que conhece bem.”

Esta descoberta marca a primeira vez que uma anã branca nascida da colisão de estrelas foi identificada por seu espectro ultravioleta. Antes deste estudo, seis produtos de fusão de anãs brancas foram descobertos por meio de linhas de carbono em seus espectros de luz visível. Todas as sete fazem parte de um grupo maior que se revelou mais azul do que o esperado para suas massas e idades em um estudo com a missão Gaia da ESA em 2019 , com as evidências de fusões fornecendo novos insights sobre sua história de formação.

WD 0525+526 é notável mesmo dentro do pequeno grupo de anãs brancas conhecidas por serem o produto da fusão de estrelas. Com uma temperatura de quase 21.000 kelvins e uma massa de 1,2 massa solar, WD 0525+526 é mais quente e mais massiva do que as outras anãs brancas deste grupo.

A temperatura extrema de WD 0525+526 representou um mistério para a equipe. Para anãs brancas mais frias, como os seis produtos de fusão descobertos anteriormente, um processo chamado convecção pode misturar carbono na fina atmosfera de hidrogênio e hélio. WD 0525+526, no entanto, é quente demais para que a convecção ocorra. Em vez disso, a equipe determinou que um processo mais sutil, chamado semiconvecção, traz uma pequena quantidade de carbono para a atmosfera de WD 0525+526. WD 0525+526 possui a menor quantidade de carbono atmosférico entre todas as anãs brancas conhecidas resultantes de uma fusão, cerca de 100.000 vezes menos do que outros remanescentes de fusão.

A alta temperatura e a baixa abundância de carbono significam que identificar essa anã branca como o produto de uma fusão teria sido impossível sem a sensibilidade do Hubble à luz ultravioleta; linhas espectrais de elementos mais pesados ​​que o hélio, como o carbono, tornam-se mais fracas em comprimentos de onda visíveis para anãs brancas mais quentes, mas esses sinais espectrais permanecem brilhantes no ultravioleta, onde o Hubble está em uma posição única para identificá-los.

“O Cosmic Origins Spectrograph do Hubble é o único instrumento capaz de obter a espectroscopia ultravioleta de excelente qualidade necessária para detectar o carbono na atmosfera desta anã branca”, disse o líder do estudo, Snehalata Sahu, da Universidade de Warwick.

Como a origem incomum de WD 0525+526 foi revelada somente quando os astrônomos vislumbraram seu espectro ultravioleta, é provável que outras anãs brancas aparentemente "normais" sejam, na verdade, o resultado de colisões cósmicas — uma possibilidade que a equipe está animada para explorar no futuro.

“Gostaríamos de ampliar nossa pesquisa sobre este tópico, explorando o quão comuns são as anãs brancas de carbono e quantas fusões estelares estão ocultas na família normal das anãs brancas”, disse o colíder do estudo, Antoine Bedrad, da Universidade de Warwick. “Isso será uma contribuição importante para a nossa compreensão dos binários de anãs brancas e dos caminhos para as explosões de supernovas.” 

O artigo da equipe foi publicado na Nature Astronomy .

Esahubble.org