Astrónomos observam o nascimento de um magnetar numa supernova superluminosa

Os astrónomos observaram pela primeira vez o nascimento de um magnetar - uma estrela de neutrões altamente magnetizada - e confirmaram que é a fonte de energia por trás de algumas das estrelas explosivas mais brilhantes do cosmos. 

 Impressão de artista de um magnetar rodeado por um disco de acreção que está a oscilar, ou sob o efeito de precessão, devido aos efeitos da relatividade geral. Alguns modelos de magnetares sugerem que jatos velozes de partículas carregadas emanam do magnetar ao longo do seu eixo de rotação. Crédito: Joseph Farah e Curtis McCully/LCO

A descoberta corrobora uma teoria proposta por um físico da Universidade da Califórnia em Berkeley há 16 anos e estabelece um novo fenómeno nas estrelas em explosão: supernovas com um "chilrear" na sua curva de luz causado pela relatividade geral. O artigo científico que descreve o fenómeno foi publicado dia 11 de março na revista Nature.

As supernovas superluminosas - que podem ser 10 ou mais vezes mais brilhantes do que as supernovas comuns - intrigam os astrónomos desde a sua descoberta no início da década de 2000. Pensava-se que resultavam da explosão de estrelas muito massivas, talvez com 25 vezes a massa do nosso sol, mas elas permanecem brilhantes por muito mais tempo do que seria de esperar quando o núcleo de ferro de uma estrela colapsa e as suas camadas externas são subsequentemente expelidas.

Em 2010, Dan Kasen, agora astrofísico teórico e professor de física na Universidade da Califórnia em Berkeley, foi o primeiro a propor que um magnetar estava a alimentar o brilho duradouro. De acordo com a teoria, coautoria de Lars Bildsten e sugerida independentemente por Stanford Woosley, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, quando uma estrela massiva entra em colapso no final da sua vida, esmaga grande parte da sua massa numa estrela de neutrões muito compacta - um destino que fica um pouco aquém do colapso num buraco negro.

Se a estrela tivesse originalmente um campo magnético muito forte, este teria sido ampliado durante a formação do magnetar, produzindo um campo 100 a 1000 vezes mais forte do que o das normais estrelas de neutrões com elevada rotação - os chamados pulsares. Os pulsares e os seus irmãos e altamente magnetizados, os magnetares, têm apenas cerca de 16 km de diâmetro, mas, na sua juventude, podem girar mais de 1000 vezes por segundo.

À medida que o magnetar gira, o campo magnético pode acelerar partículas carregadas que colidem com os detritos da supernova em expansão, aumentando o seu brilho. Pensa-se também que os magnetares sejam a fonte das FRBs ("fast radio bursts", o que em português significa rajadas rápidas de rádio).

O estudante Joseph Farah, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e do LCO (Las Cumbres Observatory), confirmou a ligação entre os magnetares e as supernovas superluminosas do Tipo I (SLSNe-I) após analisar dados de uma supernova de 2024 chamada SN 2024afav. No artigo científico da Nature, Farah e os seus colegas propuseram uma explicação relativística para os invulgares picos na curva de luz desta supernova - o que eles chamam de "chilrear" - que a ligam conclusivamente a um magnetar.

"O que é realmente empolgante é que esta é uma evidência definitiva da formação de um magnetar como resultado do colapso do núcleo de uma supernova superluminosa", disse Alex Filippenko, ilustre professor de astronomia da UC Berkeley, coautor do artigo científico. "A base do modelo de Dan Kasen e Stan Woosley é que tudo o que precisamos é da energia do magnetar nas profundezas e uma boa parte dela será absorvida, e isso explica a razão do objeto ser superluminoso. O que não havia sido demonstrado era que um magnetar realmente se formou no meio da supernova, e é isso que o artigo científico do Joseph mostra".

"Durante anos, a ideia do magnetar parecia quase um truque de magia por parte dos teóricos - esconder um motor poderoso por trás de camadas de detritos de uma supernova", disse Kasen. "Era uma explicação natural para o brilho extraordinário destas explosões, mas não podíamos vê-lo diretamente. O 'chilrear' neste sinal da supernova é como se esse motor abrisse a cortina e revelasse que realmente existe".

Descoberta distante

Após a descoberta de SN 2024afav em dezembro de 2024, o LCO - uma rede de 27 telescópios espalhados por todo o mundo - rastreou-a e mediu o seu brilho por mais de 200 dias. A estrela em explosão estava localizada a cerca de mil milhões de anos-luz da Terra.

Farah, trabalhando com o astrónomo Andy Howell da UCSB, percebeu que, após atingir o pico do brilho cerca de 50 dias após a explosão, não desapareceu gradualmente como as supernovas típicas. Em vez disso, o seu brilho oscilou lentamente para baixo, com o período das oscilações a encurtar gradualmente, produzindo uma série de quatro picos. Ele comparou isto a um som que aumenta gradualmente em frequência, muito parecido com o chilrear de um pássaro.

Sabia-se que as supernovas superluminosas anteriores apresentavam alguns picos na sua curva de luz em decaimento, o que alguns interpretaram como o choque da supernova a colidir com camadas de gás acumuladas em torno da estrela, iluminando-a brevemente. Mas ninguém tinha observado quatro picos.

O brilho da supernova SN 2024afav, conforme registado ao longo do tempo por três telescópios diferentes, incluindo o LCO. Após atingir o pico de brilho, a supernova ficou mais fraca, mas apresentou vários picos de brilho com períodos cada vez mais curtos. Os investigadores referiram-se a esta frequência crescente como um chilrear. O modelo de um magnetar com um disco de acreção que oscila devido a efeitos relativísticos é o que melhor se ajusta às curvas de luz (linhas coloridas sólidas que ligam os pontos, pontos estes que representam medições individuais do brilho). Crédito: Joseph Farah et al

De acordo com o modelo de Farah, algum material da explosão de SN 2024afav caiu de volta em direção ao magnetar, formando um disco de matéria chamado disco de acreção. Como é improvável que o material em redor do magnetar seja simétrico, o disco de acreção também não seria simétrico em torno da estrela de neutrões, levando a um desalinhamento do eixo de rotação do magnetar e do eixo de rotação do disco de acreção.

Tendo em conta que a relatividade geral afirma que uma massa em rotação arrasta o espaço-tempo consigo, o magnetar em rotação produziria um efeito conhecido como precessão de Lense-Thirring, ou seja, faria com que o disco desalinhado oscilasse. Um disco oscilante poderia bloquear e refletir periodicamente a luz do magnetar, transformando todo o sistema num farol cósmico intermitente. O tempo para que isso se repita diminui com o raio do disco, de modo que, à medida que o disco se desloca em direção ao magnetar, ele oscila mais rapidamente, fazendo com que a luz oscile mais rapidamente à medida que se desvanece, criando o "chilrear" observado pelos telescópios na Terra.

"Testámos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelos campos magnéticos do magnetar, mas apenas a precessão de Lense-Thirring correspondia perfeitamente ao ritmo", disse Farah. "É a primeira vez que a relatividade geral é necessária para descrever a mecânica de uma supernova".

Os astrónomos também usaram dados observacionais para estimar o período de rotação da estrela de neutrões - 4,2 milissegundos - e o campo magnético: cerca de 300 biliões de vezes o da Terra. Ambos são características marcantes de um magnetar.

"Acho que o Joseph encontrou a prova irrefutável", disse Howell, cientista sénior do LCO e professor adjunto de física da UCSB. "Ele relacionou as oscilações com o modelo do magnetar e explicou tudo com a teoria mais comprovada da astrofísica - a relatividade geral. É incrivelmente elegante".

Filippenko acrescentou: "É sempre emocionante ver um efeito claro da teoria da relatividade geral de Einstein, mas vê-lo pela primeira vez numa supernova é especialmente gratificante".

Filippenko alertou que a conclusão de Farah não significa que todas as supernovas superluminosas sejam alimentadas por magnetares. Há também uma teoria alternativa: que a onda de choque da explosão estelar atinge o material que a rodeia, aumentando um pouco o seu brilho. Além disso, Kasen propôs que, se o colapso do núcleo de uma estrela resultar num buraco negro, isso também poderia alimentar uma supernova mais brilhante e, se tivesse um disco de acreção desalinhado, produzir oscilações na curva de luz.

"Não sabemos que fração das supernovas superluminosas do tipo I pode ser alimentada por material circunstelar, mas é definitivamente uma fração mais pequena do que pensávamos anteriormente, porque esta descoberta explica claramente algumas delas", disse Filippenko.

Farah espera encontrar dúzias destas supernovas "chilreantes" à medida que o Observatório Vera C. Rubin se prepara para entrar em operação e dar início ao mais compreensivo levantamento do céu noturno até à data.

"Esta é a coisa mais excitante da qual já tive o privilégio de fazer parte - é a ciência com que sonhei quando era criança", disse Farah. "É o Universo a dizer-nos, em voz alta e cara a cara, que ainda não o compreendemos totalmente, e a desafiar-nos para o explicar".

Astronomia OnLine