“Estrela zumbi”: astrônomos acham restos de supernova que brilhou há mil anos

Por seis meses, em 1181, uma estrela morrendo deixou sua marca no céu noturno. O objeto impressionante apareceu tão brilhante quanto Saturno nas proximidades da constelação de Cassiopeia, e crônicas históricas da China e do Japão o registraram como uma “estrela convidada”.

Astrônomos chineses usavam esse termo para designar um objeto temporário no céu, muitas vezes um cometa ou, como neste caso, uma supernova — uma explosão catastrófica de uma estrela no final de sua vida.

O objeto, agora conhecido como SN 1181, é uma das poucas supernovas documentadas antes da invenção dos telescópios, e tem intrigado astrônomos por séculos.

Um novo estudo descreveu pela primeira vez o corpo celeste em detalhes, criando um modelo computadorizado de sua evolução desde logo após a explosão inicial até hoje. A equipe de pesquisa comparou o modelo com observações de telescópio arquivadas de sua nebulosa — a gigantesca nuvem de gás e poeira, visível até hoje, que é o remanescente do evento monumental.

Os pesquisadores disseram que a análise sugeriu fortemente que SN 1181 pertence a uma classe rara de supernovas chamada Tipo Iax, na qual a explosão termonuclear pode ser o resultado não de uma, mas de duas anãs brancas que colidiram violentamente, mas não conseguiram detonar completamente, deixando para trás uma “estrela zumbi”.

“Existem 20 ou 30 candidatos a supernovas do tipo Iax”, disse Takatoshi Ko, autor principal do estudo publicado em 5 de julho no The Astrophysical Journal e doutorando em astronomia na Universidade de Tóquio. “Mas esta é a única que conhecemos em nossa própria galáxia.”

Além disso, o estudo também descobriu que, inexplicavelmente, um vento estelar de alta velocidade, detectado em estudos anteriores, começou a soprar da superfície da estrela zumbi há apenas 20 anos, adicionando à aura misteriosa do SN 1181. Desvendar o mecanismo por trás desse evento de supernova pode ajudar os astrônomos a entender melhor a vida e a morte das estrelas e como elas contribuem para a formação planetária, dizem os especialistas.

Falha na detonação de uma supernova

Levou 840 anos para os astrônomos resolverem o primeiro grande enigma do SN 1181 — localizar sua posição na Via Láctea. A estrela foi a última supernova pré-telescópica sem um remanescente confirmado, até que, em 2021, Albert Zijlstra, professor de astrofísica da Universidade de Manchester, na Inglaterra, a rastreou até uma nebulosa na constelação de Cassiopeia.

O astrônomo amador Dana Patchick descobriu a nebulosa em 2013, ao pesquisar no arquivo do Wide-Field Infrared Survey Explorer (Wise) da Nasa. Mas Zijlstra, que não esteve envolvido no novo estudo, foi o primeiro a fazer a conexão com o SN 1181.

“Durante (o auge da) Covid, tive uma tarde tranquila e estava em casa”, disse Zijlstra. “Eu relacionei a supernova à nebulosa usando registros de antigos catálogos chineses. Acho que isso foi aceito — muitas pessoas analisaram e concordaram que parece estar correto. Este é o remanescente daquela supernova.”

A nebulosa está a cerca de 7.000 anos-luz de distância da Terra, e em seu centro há um objeto de rápido giro, do tamanho da Terra, chamado anã branca — uma estrela densa e morta que esgotou seu combustível nuclear. Essa característica é incomum para um remanescente de supernova, pois a explosão deveria ter destruído este corpo.

Zijlstra e seus coautores escreveram um estudo em setembro de 2021 sobre a descoberta. O relatório sugeriu que o SN 1181 pode pertencer à esquiva categoria de supernovas Tipo Iax devido à presença desta “anã branca zumbi”.

Na supernova mais comum, do tipo Ia, uma anã branca se forma quando uma estrela semelhante ao Sol esgota seu combustível e começa a acumular material de outra estrela próxima. Muitas destas existem em pares, ou em um sistema binário, diferente do astro.

A anã branca acumula material até colapsar sob sua própria gravidade, reiniciando a fusão nuclear com uma explosão massiva que cria um dos objetos mais brilhantes do universo.

A mais rara supernova do tipo Iax é um cenário em que essa explosão, por algum motivo, é interrompida. “Uma possibilidade é que a Tipo Iax não seja tanto uma explosão, mas uma fusão de duas anãs brancas”, disse Zijlstra. “As duas se juntam, colidindo uma com a outra a toda velocidade, e isso pode gerar muita energia. Essa energia causa o súbito brilho da supernova.”

Essa colisão massiva pode explicar outro aspecto curioso da estrela zumbi SN 1181. Ela não contém hidrogênio nem hélio, o que é extremamente incomum no espaço, segundo Zijlstra.

“Cerca de 90% do universo consiste em hidrogênio e o restante é quase exclusivamente hélio. Todo o resto é bastante raro”, disse ele. “Você precisa procurar 10.000 átomos antes de encontrar um que não seja hidrogênio ou hélio. Mas nossa estrela (o Sol no centro do nosso Sistema Solar) só tem (principalmente) esses. Então, claramente, algo extremo aconteceu com (a estrela zumbi).”

Vento estelar inexplicável

Com o conhecimento de onde procurar o SN 1181 e a sugestão de que ele poderia ser um remanescente do tipo Iax, Ko e seus colegas começaram a trabalhar para descobrir seus segredos restantes.

“Ao rastrear com precisão a evolução temporal do remanescente, fomos capazes de obter propriedades detalhadas da explosão do SN 1181 pela primeira vez. Confirmamos que os dados obtidos são consistentes com uma supernova do tipo Iax”, disse Ko, acrescentando que o modelo computacional do estudo é consistente com observações anteriores do remanescente feitas por telescópios, incluindo o telescópio espacial XMM-Newton da Agência Espacial Europeia (ESA) e do Observatório de Raios-X Chandra, da Nasa.

A análise de Ko revela que o remanescente do SN 1181 é composto por duas regiões de choque distintas. Uma externa se formou quando o material foi ejetado pela explosão da supernova e encontrou o espaço interestelar. A interna, mais recente, é mais difícil de explicar.

O estudo sugere que essa região de choque interna pode ser um sinal de que a estrela começou a queimar novamente séculos após a explosão, levando a uma descoberta surpreendente, acrescentou Ko: o vento estelar de alta velocidade parece ter começado a soprar da superfície da estrela apenas 20 a 30 anos atrás.

Normalmente, esse fluxo rápido de partículas que os astrônomos chamam de vento estelar deveria ser expelido da anã branca como subproduto da rotação rápida do corpo logo após a explosão da supernova.

“Não entendemos completamente por que a estrela se reacendeu e o vento estelar começou tão recentemente”, disse Ko. “Teorizamos que a estrela se reacendeu porque o SN 1181 foi uma supernova do tipo Iax, que é uma explosão incompleta. Como resultado, o material ejetado não escapou completamente e permaneceu sob a influência gravitacional da anã branca central. Esse material pode ter eventualmente se acumulado devido à sua gravidade, fazendo com que ela se reacendesse.”

No entanto, Zijlstra observou que essa teoria contrasta com observações que mostram que o brilho da estrela diminuiu ao longo do último século. “Não está claro como isso se relaciona com o início do vento”, disse ele. “Eu esperaria que a estrela tivesse se iluminado em vez de ter diminuído.”

Ko e seus colegas estão cientes desse problema. Eles disseram acreditar que há alguma relação entre o vento estelar e o escurecimento da estrela, e estão investigando isso. Os pesquisadores estão preparando novas observações do SN 1181 com dois instrumentos que ainda não utilizaram: o Very Large Array de radiotelescópios no Novo México e o Telescópio Subaru no Havaí.

Esses estudos, disse Ko, ajudarão a ampliar o conhecimento dos cientistas sobre todas as supernovas.

“As supernovas do tipo Ia foram cruciais para a descoberta da aceleração da expansão do universo,” disse ele. “Mas, apesar de sua importância, o mecanismo de explosão delas continua desconhecido, tornando-o um dos desafios mais significativos da astronomia moderna.”

Ao estudar o SN 1181 e sua explosão incompleta, ele acrescentou, os cientistas podem obter dados sobre o mecanismo das supernovas do tipo Ia.

Grande oportunidade

Como objetos como o SN 1181 são importantes para a formação de muitos dos elementos que compõem os seres humanos, estudá-los é uma grande oportunidade, segundo Zijlstra.

“Esses eventos muito energéticos podem formar elementos mais pesados que o ferro, como as terras raras”, disse ele. “É valioso ter um exemplo desse tipo ocorrido há 1.000 anos, onde ainda podemos ver os materiais ejetados, e talvez, no futuro, possamos ver exatamente quais elementos foram criados no evento.”

Esse conhecimento ajudaria os cientistas a entender como a Terra se formou e como adquiriu esses elementos, acrescentou Zijlstra.

Historicamente, observações antigas de supernovas têm sido de suma importância para a astrofísica moderna, disse Bradley Schaefer, professor emérito de astrofísica e astronomia da Louisiana State University, que não participou do estudo.

Schaefer acrescentou que o SN 1181 representa uma das poucas conexões confiáveis entre uma supernova e seu remanescente. O objeto é importante como o único caso possível para obter boas observações do tipo raro.

“A constatação é que as supernovas do tipo Iax constituem aproximadamente 20% das supernovas em qualquer galáxia, incluindo a nossa Via Láctea, e podem ter formado a maior parte da poeira misteriosa no Universo primitivo,” disse Schaefer em um e-mail.

Ele acrescentou que, em nossa vida, os astrofísicos não terão um caso melhor observado de um evento do Tipo Iax, por isso os pesquisadores devem se esforçar ao máximo para entender o SN 1181.

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