SNR 0509-67.5 revela supernova Tipo Ia de dupla detonação observada com o VLT do ESO

Supernovas são explosões estelares de energia colossal. No “modelo clássico”, uma estrela muito massiva chega ao fim da vida, detona e deixa para trás uma estrela de neutrões ou um buraco negro, além de um remanescente composto por gás e poeira em expansão.

Nem todas as supernovas, porém, seguem o mesmo roteiro. Algumas acontecem em sistemas binários e recebem o nome de supernovas do Tipo Ia. E, ao que tudo indica, parte dessas supernovas Tipo Ia consegue explodir duas vezes.

Astrónomos que trabalham com o Observatório Europeu do Sul (ESO) e o seu Telescópio Muito Grande (VLT) identificaram padrões que indicam que uma supernova antiga detonou duas vezes como uma Tipo Ia. O remanescente é conhecido como SNR 0509-67.5 e fica a cerca de 160 mil anos-luz, na Grande Nuvem de Magalhães (LMC).

A descoberta é detalhada num novo estudo publicado na Astronomia da Natureza, intitulado “Cálcio num remanescente de supernova como impressão digital de uma explosão de massa sub-Chandrasekhar”. A autora principal é Priyam Das, doutoranda na Universidade de Nova Gales do Sul (campus de Camberra), na Austrália.

Nem toda supernova é igual

Numa supernova Tipo Ia, uma das estrelas do par é sempre uma anã branca. As anãs brancas são o estado final de evolução de estrelas que não têm massa suficiente para terminar como estrela de neutrões ou buraco negro. O nosso próprio Sol, quando já não conseguir sustentar a fusão nuclear, acabará a sua vida como uma anã branca.

A estrela companheira da anã branca pode variar bastante: pode ser outra anã branca ou uma estrela massiva. Como são extremamente densas, as anãs brancas exercem uma gravidade tão intensa que conseguem puxar gás da companheira para a sua superfície. Se massa suficiente se acumular, a anã branca ultrapassa um limiar, pode reacender processos internos e desencadear a explosão de supernova.

Ainda assim, vários detalhes desse tipo de evento continuam em aberto. As supernovas Tipo Ia têm papel relevante na galáxia por estarem ligadas à produção de ferro, e os astrónomos querem compreender melhor como elas se formam e o que as aciona.

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

"Apesar da sua importância central, uma compreensão abrangente dos seus sistemas progenitores e do mecanismo de disparo ainda é um problema fundamental antigo e persistente."

"As explosões de anãs brancas têm um papel crucial na astronomia", disse a autora principal Das, num comunicado à imprensa. "No entanto, apesar da sua importância, o enigma antigo sobre o mecanismo exato que desencadeia a explosão ainda permanece sem solução."

O que se sabe (e o que falta) sobre as supernovas Tipo Ia

Astrofísicos têm dificuldade em explicar, em detalhe, como funcionam as anãs brancas que originam supernovas Tipo Ia. Uma explicação bastante difundida é o modelo de explosão na massa de Chandrasekhar. O chamado limite de Chandrasekhar estabelece uma massa máxima para anãs brancas em torno de 1,4 massas solares.

Abaixo desse valor, a pressão de degenerescência dos eletrões sustenta a estrela contra o colapso gravitacional. Quando a anã branca excede esse limite ao arrancar matéria da companheira, a fusão do carbono inflama por toda a estrela e ela explode como uma supernova Tipo Ia.

Com o aumento das observações de anãs brancas, esse cenário passou a ser questionado. Ele não explica a quantidade de supernovas Tipo Ia observadas e, além disso, muitas parecem explodir antes de alcançar a massa de Chandrasekhar. Esses casos são as supernovas Tipo Ia de massa sub-Chandrasekhar.

Dupla detonação e a “impressão digital” do cálcio

Para explicar as supernovas sub-Chandrasekhar, surgiu um modelo alternativo: o da dupla detonação. Nesse quadro, a anã branca acumula hélio na superfície até que o hélio detone. Essa primeira explosão gera ondas de choque que se propagam para fora e também para dentro.

Anãs brancas têm núcleos de carbono e oxigénio, e o choque que viaja para o interior comprime esse núcleo. Se a compressão for intensa o bastante, ocorre uma segunda detonação no núcleo - daí o nome “dupla detonação”.

Embora astrofísicos já previssem supernovas com dupla detonação, faltava uma evidência visual inequívoca. Ao avançar no problema, os investigadores passaram a antecipar qual seria a “assinatura química” deixada no remanescente. A previsão foi a presença de duas conchas (camadas) distintas de cálcio, produzidas por supernovas Tipo Ia com dupla detonação.

O que o SNR 0509-67.5 revela com o VLT (ESO) e o MUSE

A equipa recorreu ao VLT e ao seu instrumento Explorador Espectroscópico de Múltiplas Unidades (MUSE) para observar o SNR 0509-67.5 e encontrou duas conchas separadas de cálcio. "Revelamos uma morfologia de dupla concha de cálcio altamente ionizado [Ca XV] e uma concha única de enxofre [S XII], observadas na ejeção atingida pelo choque reverso", escrevem os autores.

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

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

Eventos do Tipo Ia com dupla detonação ajudam a encaixar parte do que os astrofísicos vêm registando. Eles podem explicar a variedade de brilhos e de perfis espectrais das supernovas Tipo Ia, e a queima de hélio pode gerar elementos de massa intermediária que aparecem nas suas assinaturas espectrais. O modelo também permite entender supernovas Tipo Ia observadas com diferentes massas de anãs brancas e distintos tipos de estrelas companheiras.

Os autores observam ainda que, em certos casos, pode existir até uma supernova de “quádrupla detonação”, 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 sofrer uma dupla detonação, a anã branca companheira também pode sofrer uma dupla detonação (resultando numa 'quádrupla detonação') ao ser atingida por material ejetado da anã branca primária em explosão", escrevem na conclusão.

"Uma dupla dupla detonação desse tipo poderia possivelmente também levar à estrutura de dupla concha de cálcio observada."

Por que as supernovas Tipo Ia são tão importantes

As supernovas Tipo Ia cumprem funções importantes, e um entendimento mais profundo dessas explosões cósmicas deve ajudar os cientistas a esclarecer algumas questões.

Essas supernovas são usadas como velas-padrão na chamada escada de distâncias cósmicas; compreender melhor esses eventos ajuda a cosmologia a investigar a energia escura, a força misteriosa associada à expansão do Universo.

Elas também geram uma grande fração do ferro no Universo. A massa da Terra é composta por cerca de 32% de ferro, e é improvável que planetas rochosos consigam formar-se sem esse elemento. O ferro também transporta oxigénio no nosso sangue, algo crítico para a nossa natureza. Entender a sua origem contribui para compreender a arquitetura global da Natureza.

Elas também geram uma grande fração do ferro no Universo. A massa da Terra é composta por cerca de 32% de ferro, e é improvável que planetas rochosos consigam formar-se sem esse elemento. O ferro também transporta oxigénio no nosso sangue, uma parte crítica da nossa natureza.

Compreender de onde ele vem ajuda-nos a entender a arquitetura global da natureza.

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