VLT encontra evidências de dupla detonação na supernova Tipo Ia SNR 0509-67.5

Supernovas são explosões estelares de energia colossal. No cenário mais “clássico”, uma estrela muito massiva chega ao fim da sua evolução e detona, deixando para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, além de um remanescente composto por gás e poeira em expansão.

Nem todas as supernovas, porém, se encaixam nesse retrato. Em sistemas binários, existe um grupo conhecido como supernovas do Tipo Ia - e, ao que tudo indica, algumas delas conseguem explodir duas vezes.

Supernovas do Tipo Ia e o remanescente SNR 0509-67.5

Astrônomos que trabalharam com o Observatório Europeu do Sul (ESO) usando o Telescópio Muito Grande (VLT) identificaram padrões que indicam que uma supernova antiga, do Tipo Ia, detonou em dois estágios. O remanescente em questão recebe o nome de SNR 0509-67.5 e fica a cerca de 160.000 anos-luz, na Grande Nuvem de Magalhães (LMC).

A descoberta é detalhada em um novo estudo publicado na revista Nature Astronomia com o título “Cálcio em um remanescente de supernova como uma impressão digital de uma explosão de massa sub-Chandrasekhar”. A autoria principal é de Priyam Das, doutorando da Universidade de Nova Gales do Sul (campus de Canberra), na Austrália.

Como uma anã branca pode gerar uma supernova do Tipo Ia

Em uma supernova do Tipo Ia, uma das estrelas é sempre uma anã branca. Anãs brancas são o estado final de estrelas que não têm massa suficiente para se tornarem uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. O próprio Sol, quando encerrar a fusão nuclear, terminará sua vida como uma anã branca.

A companheira da anã branca pode variar bastante: pode ser outra anã branca ou mesmo uma estrela mais massiva. Como as anãs brancas são extremamente densas, a gravidade delas puxa gás da estrela companheira para a superfície da anã branca. Quando massa suficiente se acumula, a anã branca ultrapassa um limiar, “reacende” e pode disparar a explosão de uma supernova.

Apesar de serem fundamentais, ainda há incertezas importantes sobre os detalhes desses eventos. Supernovas do Tipo Ia são relevantes para a galáxia porque produzem ferro, e é por isso que astrônomos querem compreendê-las com mais precisão.

"Supernovas do Tipo Ia desempenham um papel fundamental como sondas cosmológicas da energia escura e produzem mais da metade do ferro na nossa Galáxia", escrevem os pesquisadores no artigo.

"Apesar de sua importância central, um entendimento abrangente de seus sistemas progenitores e do mecanismo de disparo ainda é um problema fundamental de longa data."

"As explosões de anãs brancas desempenham um papel crucial na astronomia", disse o autor principal, Das, em um comunicado à imprensa. "Ainda assim, apesar de sua importância, o quebra-cabeça antigo sobre o mecanismo exato que aciona a explosão continua sem solução."

Do limite de Chandrasekhar ao modelo de dupla detonação

Astrofísicos têm tido dificuldade para explicar, em termos completos, como funcionam as supernovas do Tipo Ia envolvendo anãs brancas. Uma explicação bastante difundida é o modelo de explosão na massa de Chandrasekhar. O chamado limite de Chandrasekhar é um teto de massa para anãs brancas de cerca de 1,4 massas solares.

Abaixo desse limite, a pressão de degenerescência dos elétrons sustenta a estrela contra o colapso gravitacional. Se a anã branca excede esse limite ao acumular matéria da companheira, a fusão do carbono se inicia por toda a estrela e ela explode como uma supernova do Tipo Ia.

Com o avanço das observações de anãs brancas, esse quadro passou a ser questionado. Ele não explica a quantidade de supernovas do Tipo Ia observada, e muitas delas parecem detonar antes de alcançar o limite de massa de Chandrasekhar. Esses casos são as supernovas do Tipo Ia de massa sub-Chandrasekhar.

Para dar conta dessas explosões sub-Chandrasekhar, surgiu um modelo mais recente, chamado modelo de dupla detonação. Nele, a anã branca acumula hélio na superfície até que essa camada exploda. Essa primeira explosão lança ondas de choque tanto para fora quanto para dentro.

Como as anãs brancas têm núcleos de carbono e oxigênio, a onda de choque que viaja para o interior comprime esse núcleo. Se a compressão for intensa o bastante, ela provoca uma segunda detonação no centro - daí o nome “dupla detonação”.

Embora esse tipo de supernova já tivesse sido previsto teoricamente, não havia uma evidência visual inequívoca. Para atacar o problema, pesquisadores passaram a estimar que “impressão digital” química esse mecanismo deixaria. A previsão foi que supernovas do Tipo Ia por dupla detonação gerariam duas conchas separadas de cálcio.

A “impressão digital” de cálcio vista com o VLT e o instrumento MUSE

A equipe recorreu ao VLT e ao seu instrumento Explorador Espectroscópico Multiunidade (MUSE) para analisar o SNR 0509-67.5 e encontrou duas conchas distintas de cálcio. "Descobrimos uma morfologia de dupla concha de cálcio altamente ionizado [Ca XV] e uma única concha de enxofre [S XII], observadas no material ejetado atingido pelo choque reverso", escrevem os autores.

Segundo o coautor Ivo Seitenzahl, os resultados trazem "uma indicação clara de que anãs brancas podem explodir bem antes de atingirem o famoso limite de massa de Chandrasekhar, e de que o mecanismo de 'dupla detonação' de fato ocorre na natureza".

Seitenzahl liderou as observações e, quando o estudo foi realizado, estava no Instituto de Estudos Teóricos de Heidelberg, na Alemanha.

Essas supernovas do Tipo Ia por dupla detonação ajudam a explicar alguns aspectos já registrados por astrofísicos. Elas oferecem uma saída para a diversidade de brilhos e de perfis espectrais das supernovas do Tipo Ia, e a queima de hélio pode gerar elementos de massa intermediária que aparecem nas assinaturas espectrais. Além disso, o modelo acomoda a existência de supernovas do Tipo Ia observadas com diferentes massas de anãs brancas e distintos tipos de estrelas companheiras.

Os autores também apontam que um cenário de detonação quádrupla é possível quando um par binário de anãs brancas se funde.

"Simulações multidimensionais recentes de dupla detonação mostram que, no cenário de fusão de anãs brancas, além de a anã branca primária passar por uma dupla detonação, a anã branca companheira também pode passar por uma dupla detonação (resultando em uma 'detonação quádrupla') ao ser atingida por ejeção de material da anã branca primária em explosão", escrevem na conclusão.

"Uma dupla dupla detonação como essa possivelmente também poderia levar à estrutura observada de dupla concha de cálcio."

Por que as supernovas do Tipo Ia importam: energia escura e ferro

Supernovas do Tipo Ia cumprem papéis essenciais, e avançar no entendimento dessas explosões cósmicas ajuda cientistas a esclarecer alguns pontos.

Elas funcionam como “velas padrão” na escada de distâncias do Universo; compreender melhor sua física contribui para que cosmólogos investiguem a energia escura, a força misteriosa associada à expansão do Universo.

Elas também geram uma grande fração do ferro do Universo. Aproximadamente 32% da massa da Terra é ferro, e é pouco provável que planetas rochosos se formem sem esse elemento. O ferro ainda é o responsável por transportar oxigênio no nosso sangue, algo crítico para a nossa própria natureza. Entender sua origem ajuda a revelar a arquitetura geral da Natureza.

Além disso, essas supernovas produzem muito do ferro presente no Universo. Cerca de 32% da massa terrestre é composta por ferro, e sem ele a formação de mundos rochosos provavelmente não aconteceria. O ferro também carrega oxigênio no sangue humano, parte crucial do que somos.

Compreender de onde esse ferro vem ajuda a entender a arquitetura geral da natureza.

Este artigo foi publicado originalmente pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.