Crédito da imagem: LBL
Ao medir a luz polarizada de uma estrela explosiva incomum, uma equipe internacional de astrofísicos e astrônomos elaborou a primeira imagem detalhada de uma supernova tipo Ia e o sistema estelar distintivo em que explodiu.
Usando o Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul no Chile, os pesquisadores determinaram que a supernova 2002ic explodiu dentro de um disco plano, denso e desajeitado de poeira e gás, anteriormente explodido de uma estrela companheira. O trabalho deles sugere que este e alguns outros precursores das supernovas do Tipo Ia se assemelham aos objetos conhecidos como nebulosas protoplanetárias, bem conhecidas em nossa própria galáxia da Via Láctea.
Lifan Wang do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Dietrich Baade do Observatório Europeu do Sul (ESO), Peter H? Flich e J. Craig Wheeler da Universidade do Texas em Austin, Koji Kawabata do Observatório Astronômico Nacional do Japão e Ken'ichi Nomoto, da Universidade de Tóquio, relatou suas descobertas na edição de 20 de março de 2004 do Astrophysical Journal Letters.
Transmitindo supernovas para o tipo
As supernovas são rotuladas de acordo com os elementos visíveis em seus espectros: os espectros do tipo I não possuem linhas de hidrogênio, enquanto os espectros do tipo II possuem essas linhas. O que torna o SN 2002ic incomum é que seu espectro se assemelha a uma supernova típica do Tipo Ia, mas exibe uma forte linha de emissão de hidrogênio.
O tipo II e algumas outras supernovas ocorrem quando os núcleos de estrelas muito massivas colapsam e explodem, deixando para trás estrelas de nêutrons extremamente densas ou até buracos negros. As supernovas do tipo Ia, no entanto, explodem por um mecanismo muito diferente.
"Uma supernova do tipo Ia é uma bola de fogo metálica", explica Wang, do Berkeley Lab, pioneiro no campo da espectropolarimetria de supernova. “Um tipo Ia não possui hidrogênio ou hélio, mas muito ferro, mais níquel radioativo, cobalto e titânio, um pouco de silício e um pouco de carbono e oxigênio. Portanto, um de seus progenitores deve ser uma estrela antiga que evoluiu para deixar para trás uma anã branca de carbono-oxigênio. Mas carbono e oxigênio, como combustíveis nucleares, não queimam facilmente. Como uma anã branca pode explodir?
Os modelos do tipo Ia mais amplamente aceitos assumem que a anã branca - aproximadamente do tamanho da Terra, mas acumulando a maior parte da massa do sol - acumula matéria de um companheiro em órbita até atingir 1,4 massa solar, conhecida como limite de Chandrasekhar. A agora superdensa anã branca incendeia em uma poderosa explosão termonuclear, deixando para trás nada além de poeira estelar.
Outros esquemas incluem a fusão de duas anãs brancas ou mesmo uma anã branca solitária que recomeça o assunto derramado por seu eu mais jovem. Apesar de três décadas de pesquisa, no entanto, até a descoberta e estudos espectropolarimétricos subsequentes do SN 2002ic, não havia evidências firmes para nenhum modelo.
Em novembro de 2002, Michael Wood-Vasey e seus colegas da Fábrica de Supernovas Próximas do Departamento de Energia, com sede no Berkeley Lab, relataram a descoberta do SN 2002ic, logo após a explosão ter sido detectada a quase um bilhão de anos-luz de distância em uma galáxia anônima na constelação de peixes.
Em agosto de 2003, Mario Hamuy, do Carnegie Observatories e seus colegas, relataram que a fonte do copioso gás rico em hidrogênio no SN 2002ic era provavelmente uma estrela do chamado ramo gigante assintótico (AGB), uma estrela nas fases finais de sua vida, com três a oito vezes a massa do sol - exatamente o tipo de estrela que, depois de explodir suas camadas externas de hidrogênio, hélio e poeira, deixa para trás uma anã branca.
Além disso, essa supernova aparentemente autocontraditória - um Tipo Ia com hidrogênio - era de fato semelhante a outras supernovas ricas em hidrogênio anteriormente designadas Tipo IIn. Isso, por sua vez, sugeriu que, embora as supernovas do Tipo Ia sejam realmente muito semelhantes, pode haver grandes diferenças entre seus progenitores.
Como as supernovas do tipo Ia são tão semelhantes e brilhantes - tão brilhantes ou mais brilhantes que galáxias inteiras - elas se tornaram as velas astronômicas mais importantes para medir distâncias cósmicas e a expansão do universo. No início de 1998, depois de analisar dezenas de observações de supernovas distantes do Tipo Ia, os membros do Projeto de Cosmologia de Supernova do Departamento de Energia com sede no Berkeley Lab, juntamente com seus rivais na equipe de pesquisa High-Z Supernova da Austrália, anunciaram a surpreendente descoberta de que a expansão do universo está acelerando.
Os cosmólogos determinaram posteriormente que mais de dois terços do universo consistem em algo misterioso chamado "energia escura", que estende o espaço e impulsiona a expansão acelerada. Mas aprender mais sobre energia escura dependerá do estudo cuidadoso de muitas supernovas do tipo Ia mais distantes, incluindo um melhor conhecimento de que tipo de sistema estelar as aciona.
Estrutura de retratos com espectropolarimetria
A espectropolarimetria do SN 2002ic forneceu a imagem mais detalhada de um sistema Tipo Ia até agora. A polarimetria mede a orientação das ondas de luz; por exemplo, os óculos de sol Polaroid "medem" a polarização horizontal quando bloqueiam parte da luz refletida em superfícies planas. Em um objeto como uma nuvem de poeira ou uma explosão estelar, no entanto, a luz não é refletida das superfícies, mas espalhada por partículas ou elétrons.
Se a nuvem de poeira ou explosão for esférica e uniformemente suave, todas as orientações são igualmente representadas e a polarização da rede é zero. Mas se o objeto não for esférico - em forma de disco ou charuto, por exemplo - mais luz irá oscilar em algumas direções do que em outras.
Mesmo para assimetrias bastante visíveis, a polarização líquida raramente excede um por cento. Portanto, foi um desafio para o instrumento de espectropolarimetria do ESO medir o SN 2002ic fraco, mesmo usando o poderoso Very Large Telescope. Foram necessárias várias horas de observação em quatro noites diferentes para obter os dados necessários de polarimetria e espectroscopia de alta qualidade.
As observações da equipe ocorreram quase um ano após o SN 2002ic ter sido detectado pela primeira vez. A supernova ficou muito mais fraca, mas sua linha de emissão de hidrogênio proeminente era seis vezes mais brilhante. Com a espectroscopia, os astrônomos confirmaram a observação de Hamuy e seus associados, que os ejetos que se expandiam para fora da explosão em alta velocidade haviam atingido matéria espessa e rica em hidrogênio.
Somente os novos estudos polarimétricos, no entanto, puderam revelar que a maior parte desse assunto foi modelada como um disco fino. A polarização provavelmente ocorreu devido à interação dos ejetos de alta velocidade da explosão com as partículas de poeira e elétrons na matéria circundante de movimento mais lento. Devido à maneira como a linha de hidrogênio havia se iluminado muito tempo depois da observação da supernova, os astrônomos deduziram que o disco incluía aglomerados densos e estava no lugar bem antes da explosão da anã branca.
"Esses resultados surpreendentes sugerem que o progenitor do SN 2002ic era notavelmente semelhante a objetos familiares aos astrônomos em nossa própria Via Láctea, ou seja, nebulosas protoplanetárias", diz Wang. Muitas dessas nebulosas são os remanescentes das conchas exteriores destruídas pelas estrelas do ramo gigante assintótico. Essas estrelas, se girarem rapidamente, lançam discos finos e irregulares.
Uma questão de tempo
Para uma anã branca coletar material suficiente para atingir o limite de Chandrasekhar, leva um milhão de anos ou mais. Por outro lado, uma estrela AGB perde quantidades abundantes de matéria relativamente rapidamente; a fase protoplanetária-nebulosa é transitória, durando apenas algumas centenas ou milhares de anos antes que a matéria explodida se dissipe. "É uma pequena janela", diz Wang, não há tempo suficiente para que o núcleo restante (ela mesma uma anã branca) volte a acumular material suficiente para explodir.
Portanto, é mais provável que um companheiro de anã branca no sistema SN 2002ic já estivesse ocupado coletando matéria muito antes da formação da nebulosa. Como a fase protoplanetária dura apenas algumas centenas de anos, e assumindo que uma supernova Tipo Ia normalmente leva um milhão de anos para evoluir, espera-se que apenas cerca de um milésimo de todas as supernovas Tipo Ia se assemelhem ao SN 2002ic. Menos ainda exibem suas características espectrais e polarimétricas específicas, embora "seria extremamente interessante procurar outras supernovas do tipo Ia com matéria circunstancial", diz Wang.
No entanto, diz Dietrich Baade, pesquisador principal do projeto de polarimetria que usou o VLT, "é a suposição de que todas as supernovas do tipo Ia são basicamente as mesmas que permitem que as observações do SN 2002ic sejam explicadas".
Sistemas binários com diferentes características orbitais e diferentes tipos de companheiros em diferentes estágios da evolução estelar ainda podem dar origem a explosões semelhantes, através do modelo de acréscimo. Baade observa: "O caso aparentemente peculiar do SN 2002ic fornece fortes evidências de que esses objetos são de fato muito parecidos, como sugere a impressionante semelhança de suas curvas de luz".
Ao mostrar a distribuição do gás e da poeira, a espectropolarimetria demonstrou por que as supernovas do Tipo Ia são muito parecidas, embora as massas, idades, estados evolutivos e órbitas de seus sistemas precursores possam diferir muito.
O Berkeley Lab é um laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA localizado em Berkeley, Califórnia. Conduz pesquisas científicas não classificadas e é gerenciado pela Universidade da Califórnia. Visite nosso site em http://www.lbl.gov.
Fonte original: Comunicado de imprensa do Berkeley Lab
