Visualização de uma estrela binária passando por transferência de massa. Crédito: © Ylva Götberg
Descobrindo os precursores desaparecidos de supernovas pobres em hidrogênio.
As supernovas – explosões estelares tão brilhantes como uma galáxia inteira – fascinam-nos desde tempos imemoriais. No entanto, existem mais supernovas pobres em hidrogénio do que os astrofísicos conseguem explicar. Agora, um novo professor assistente no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) desempenhou um papel fundamental na identificação da população estelar precursora desaparecida. Os resultados, agora publicados em Ciênciavoltemos a uma conversa que os professores envolvidos tiveram há muitos anos, quando eram cientistas juniores.
O enigma das supernovas pobres em hidrogênio
Algumas estrelas não morrem simplesmente, mas explodem numa explosão estelar que pode ofuscar galáxias inteiras. Esses fenômenos cósmicos, chamados supernovas, espalham luz, elementos, energia e radiação no espaço e enviam ondas de choque galácticas que poderiam comprimir nuvens de gás e gerar novas estrelas. Em outras palavras, as supernovas moldam o nosso universo. Entre estas, as supernovas pobres em hidrogénio provenientes da explosão de estrelas massivas há muito que intrigam os astrofísicos. A razão: os cientistas não conseguiram identificar as estrelas precursoras. É quase como se essas supernovas surgissem do nada.
“Existem muito mais supernovas pobres em hidrogénio do que os nossos modelos atuais podem explicar. Ou não conseguimos detectar as estrelas que amadurecem nesta trajectória, ou temos de rever todos os nossos modelos,” afirma a professora assistente do ISTA, Ylva Götberg. Ela foi pioneira neste trabalho junto com Maria Drout, membro do corpo docente associado do Instituto Dunlap de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Toronto, Canadá.
“Estrelas isoladas normalmente explodiriam como supernovas ricas em hidrogênio. Ser pobre em hidrogénio indica que a estrela precursora deve ter perdido o seu espesso invólucro rico em hidrogénio. Isto acontece naturalmente num terço de todas as estrelas massivas através da remoção do envelope por uma estrela companheira binária,” diz Götberg.
Agora, Götberg e Drout combinaram as suas áreas de especialização em modelação teórica e observação para caçar as estrelas desaparecidas. A sua busca é bem-sucedida: documentam uma população estelar inédita que finalmente preenche uma grande lacuna de conhecimento e lança luz sobre a origem das supernovas pobres em hidrogénio.
Estrelas binárias e remoção de envelopes
As estrelas que Götberg e Drout procuram andam aos pares: interligadas num sistema estelar binário. Alguns sistemas binários são bem conhecidos por nós, terráqueos: incluem a estrela mais brilhante do nosso céu noturno, Sirius A, e sua fraca estrela companheira Sirius B. O sistema binário de Sirius está localizado a apenas 8,6 anos-luz de distância da Terra – a poucos passos de distância. em termos cósmicos. Isto explica o brilho observado de Sirius A no nosso céu noturno.
Os astrofísicos esperam que as estrelas desaparecidas sejam inicialmente formadas a partir de sistemas binários massivos. Num sistema binário, as estrelas orbitariam umas em torno das outras até que o envelope espesso e rico em hidrogénio da estrela mais massiva se expandisse. Eventualmente, o envelope em expansão experimenta uma atração gravitacional mais forte para a estrela companheira do que para o seu próprio núcleo.
Isto provoca o início de uma transferência de massa, o que eventualmente faz com que todo o invólucro rico em hidrogénio seja removido, deixando o núcleo quente e compacto de hélio exposto – mais de 10 vezes mais quente que a superfície do Sol. Este é precisamente o tipo de estrelas que Götberg e Drout procuram.
A impressão artística de três painéis de uma estrela sendo despojada por uma companheira binária. O terceiro painel retrata o estágio em que essas estrelas são observadas no presente trabalho. Stills de um filme. Crédito: © ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/SE de Mink
“Prevê-se que estrelas de hélio de massa intermediária eliminadas por meio de interação binária desempenhem papéis importantes na astrofísica. No entanto, não foram observados até agora”, diz Götberg.
Na verdade, existe uma importante lacuna de massa entre as classes conhecidas de estrelas de hélio: as estrelas Wolf-Rayet (WR) mais massivas têm mais de 10 vezes a massa do Sol, e as estrelas subanãs de baixa massa podem ter cerca de metade da massa do Sol. . No entanto, os modelos previram que os precursores das supernovas pobres em hidrogénio se situariam entre 2 e 8 massas solares após a destruição.
Não apenas uma agulha no palheiro
Antes do estudo de Götberg e Drout, apenas uma estrela preenchia os critérios esperados de massa e composição e era chamada de “Quasi-WR” (ou “Quase Wolf-Rayet”).
“No entanto, as estrelas que seguem este caminho têm uma vida tão longa que muitas devem estar espalhadas por todo o universo observável”, diz Götberg.
Os cientistas simplesmente não os “viram”? Assim, Götberg e Drout recorreram aos seus conhecimentos complementares. Com a ajuda da fotometria UV e da espectroscopia óptica, identificaram uma população de 25 estrelas que é consistente com as expectativas para estrelas de hélio de massa intermédia. As estrelas estão localizadas em duas galáxias vizinhas bem estudadas, a Grande e a Pequena Nuvens de Magalhães.
“Mostrámos que estas estrelas eram mais azuis do que a linha de nascimento estelar, a fase mais azul da vida de uma única estrela. Estrelas individuais amadurecem evoluindo em direção à região mais vermelha do espectro. Uma estrela só se desloca na direção oposta se as suas camadas exteriores forem removidas – algo que se espera que seja comum em estrelas binárias em interação e raro entre estrelas massivas únicas,” explica Götberg.
As autoras do estudo, Bethany Ludwig, Anna O’Grady, Maria Drout e Ylva Götberg observando nos telescópios Magalhães no Observatório Las Campanas, no Chile, onde coletaram dados para esta pesquisa. Crédito: Y. Götberg
Os cientistas verificaram então a sua população estelar candidata utilizando espectroscopia óptica: mostraram que as estrelas tinham fortes assinaturas espectrais de hélio ionizado.
“Fortes linhas de hélio ionizado dizem-nos duas coisas importantes: primeiro, confirmam que as camadas mais externas das estrelas são dominadas por hélio e, segundo, que a sua superfície é muito quente. Isto é o que acontece com as estrelas deixadas como um núcleo exposto, compacto e rico em hélio após a remoção”, diz Götberg.
No entanto, ambas as estrelas num sistema binário contribuem para os espectros observados. Assim, esta técnica permitiu aos investigadores classificar a sua população candidata dependendo de qual estrela contribuiu mais para o espectro.
“Este trabalho permitiu-nos encontrar a população em falta de estrelas de hélio despojadas de massa intermédia, as progenitoras previstas de supernovas pobres em hidrogénio. Essas estrelas sempre existiram e provavelmente existem muitas mais por aí. Devemos simplesmente encontrar maneiras de encontrá-los”, diz Götberg. “Nosso trabalho pode ser uma das primeiras tentativas, mas deve haver outras formas possíveis.”
De estudantes de pós-graduação a líderes em astrofísica
A ideia por trás deste projeto gerou uma discussão após uma palestra de Götberg em uma conferência da qual ela e Drout participaram durante seus estudos de pós-graduação. Ambos os cientistas, então investigadores em início de carreira em busca das estrelas, são agora líderes de grupo nas suas áreas.
Götberg ingressou no ISTA em setembro, após sua pesquisa nos Observatórios Carnegie em Pasadena, Califórnia, como pesquisadora NASA Pós-doutorado do Hubble. No ISTA, Götberg junta-se ao crescente número de jovens líderes de grupos de astrofísica do Instituto e lidera o seu próprio grupo focado no estudo das interações binárias das estrelas.
Referência: “Uma população observada de estrelas de hélio de massa intermediária que foram despojadas em binários” por MR Drout, Y. Götberg, BA Ludwig, JH Groh, SE de Mink, AJG O’Grady e N. Smith, 14 de dezembro de 2023, Ciência.
DOI: 10.1126/science.ade4970
Este trabalho, liderado por Maria R. Drout (Instituto Dunlap de Astronomia e Astrofísica, Universidade de Toronto, Canadá) e Ylva Götberg (Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, ISTA), foi realizado em colaboração com os Observatórios do Instituição Carnegie para a Ciência (Pasadena, EUA) e o Instituto Max Planck de Astrofísica (Garching, Alemanha), entre outros.
