Astrônomos identificaram a primeira evidência clara da formação de um magnetar durante uma supernova superluminosa, oferecendo novas informações sobre algumas das explosões mais brilhantes do universo.
Concepção artística de um magnetar rodeado por um disco de acreção que oscila, ou sofre precessão, devido aos efeitos da relatividade geral. Alguns modelos de magnetars sugerem que jatos de partículas carregadas em alta velocidade emanam do magnetar ao longo de seu eixo de rotação. Crédito: Joseph Farah e Curtis McCully, Observatório Las Cumbres.
Astrônomos observaram pela primeira vez o nascimento de um magnetar e confirmaram que esse objeto extremo alimenta algumas das explosões estelares mais brilhantes do universo. Um magnetar é uma estrela de nêutrons que gira rapidamente e possui um campo magnético extraordinariamente forte.
A descoberta corrobora uma teoria proposta inicialmente por um físico da UC Berkeley há 16 anos. Ela também identifica um novo comportamento em estrelas em explosão. Algumas supernovas exibem um padrão de "chiado" em suas curvas de luz, resultante de efeitos previstos pela relatividade geral. Um estudo descrevendo esse fenômeno foi publicado na revista Nature .
Supernovas superluminosas podem brilhar 10 vezes mais intensamente ou mais do que explosões estelares típicas. Desde sua descoberta no início dos anos 2000, esses eventos têm intrigado os astrônomos. Os cientistas suspeitavam que elas se originavam da morte de estrelas extremamente massivas, possivelmente com cerca de 25 vezes a massa do nosso Sol. No entanto, seu brilho persiste por muito mais tempo do que o esperado após o colapso do núcleo de ferro da estrela e a expulsão das camadas externas para o espaço.
A Teoria da Supernova Alimentada por Magnetar
Em 2010, Dan Kasen, atualmente astrofísico teórico e professor de física na UC Berkeley, propôs que um magnetar recém-formado poderia impulsionar esse brilho prolongado. Sua ideia, desenvolvida com Lars Bildsten e sugerida independentemente por Stanford Woosley da UC Santa Cruz, descreve o que acontece quando uma estrela massiva chega ao fim de sua vida.
Durante o colapso, grande parte do material da estrela se comprime, formando uma estrela de nêutrons extremamente densa. Esse resultado é quase a formação de um buraco negro . Se a estrela original possuía um campo magnético poderoso, o colapso poderia amplificá-lo drasticamente durante a formação do magnetar. O resultado seria um campo magnético entre 100 e 1.000 vezes mais forte do que os encontrados em estrelas de nêutrons giratórias comuns, conhecidas como pulsares. Tanto os pulsares quanto os magnetars têm apenas cerca de 16 quilômetros de diâmetro, mas os jovens podem girar mais de 1.000 vezes por segundo.
À medida que o magnetar gira, seu intenso campo magnético acelera partículas carregadas. Essas partículas colidem com detritos que se expandem a partir da supernova, injetando energia e aumentando o brilho da explosão. Os magnetares também são considerados uma possível fonte de rajadas rápidas de rádio .
Uma nova supernova revela o motor oculto.
Joseph Farah, estudante de pós-graduação na UC Santa Barbara e no Observatório Las Cumbres (LCO), analisou observações de uma supernova descoberta em 2024, chamada SN 2024afav. Farah ingressará na UC Berkeley neste outono como bolsista de pós-doutorado Miller no grupo de pesquisa de Kasen.
Ao estudar esse evento, Farah confirmou a conexão entre magnetars e supernovas superluminosas do Tipo I (SLSNe-I). No artigo publicado na revista Nature , ele e seus colaboradores propuseram que picos incomuns na curva de luz da supernova podem ser explicados pela relatividade geral. Eles descrevem esse padrão repetitivo como um chirp, e sua análise mostra que ele aponta diretamente para a presença de um magnetar no centro da explosão.
“O que é realmente empolgante é que esta é uma evidência definitiva da formação de um magnetar como resultado do colapso do núcleo de uma supernova superluminosa”, disse Alex Filippenko, professor emérito de astronomia da UC Berkeley, coautor do artigo e um dos futuros orientadores de Farah. “A base do modelo de Dan Kasen e Stan Woosley é que tudo o que você precisa é da energia do magnetar em seu interior, e uma boa parte dela será absorvida, o que explica por que o objeto é superluminoso. O que não havia sido demonstrado era que um magnetar de fato se formava no centro da supernova, e é isso que o artigo de Joseph mostra.”
“Durante anos, a ideia do magnetar pareceu quase um truque de mágica de um teórico — esconder um motor poderoso atrás de camadas de detritos de supernova. Era uma explicação natural para o brilho extraordinário dessas explosões, mas não conseguíamos vê-lo diretamente”, disse Kasen. “O sinal de supernova é como se esse motor estivesse puxando a cortina e revelando que ele realmente está lá.”
descoberta distante
Após a descoberta da SN 2024afav em dezembro de 2024, o Observatório Las Cumbres — uma rede de 27 telescópios ao redor do mundo — a rastreou e mediu seu brilho por mais de 200 dias. A estrela em explosão estava localizada a cerca de um bilhão de anos-luz da Terra.
Farah, trabalhando com o astrônomo Andy Howell da UCSB, notou que, após atingir o pico de brilho cerca de 50 dias após a explosão, ele não diminuiu gradualmente como as supernovas típicas. Em vez disso, seu brilho oscilou lentamente para baixo, com o período das oscilações diminuindo gradualmente, produzindo uma série de quatro picos. Ele comparou isso a um som que aumenta gradualmente em frequência, soando muito parecido com o canto de um pássaro.
Supernovas superluminosas anteriores eram conhecidas por apresentarem algumas protuberâncias em sua curva de luz em declínio, que alguns interpretavam como a onda de choque da supernova colidindo com camadas de gás aglomeradas ao redor da estrela, aumentando brevemente seu brilho. Mas ninguém havia observado tantas quatro protuberâncias.
Um "chiado" relativístico na curva de luz
De acordo com o modelo de Farah, parte do material da explosão da SN 2024afav caiu de volta em direção ao magnetar, formando um disco de matéria chamado disco de acreção. Como é improvável que o material ao redor do magnetar seja simétrico, o disco de acreção também não seria simétrico em relação à estrela de nêutrons em rotação, levando a um desalinhamento entre o eixo de rotação do magnetar e o eixo de rotação do disco de acreção.
Como a relatividade geral afirma que uma massa em rotação arrasta o espaço-tempo consigo, o magnetar em rotação produziria um efeito conhecido como precessão de Lense-Thirring — ou seja, faria o disco desalinhado oscilar. Um disco oscilante poderia bloquear e refletir periodicamente a luz do magnetar, transformando todo o sistema em um farol cósmico intermitente. O tempo necessário para que isso se repita diminui com o raio do disco, de modo que, à medida que o disco desliza em direção ao magnetar, ele oscila mais rapidamente, fazendo com que a luz oscile mais rapidamente à medida que se dissipa, criando o "chiado" observado pelos telescópios na Terra.
“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelos campos magnéticos do magnetar, mas apenas a precessão de Lense-Thirring coincidiu perfeitamente com a temporização”, disse Farah. “É a primeira vez que a relatividade geral foi necessária para descrever a mecânica de uma supernova.”
Os astrônomos também usaram dados observacionais para estimar o período de rotação da estrela de nêutrons — 4,2 milissegundos — e seu campo magnético: cerca de 300 trilhões de vezes o da Terra. Ambos são características marcantes de um magnetar.
“Acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, disse Howell, cientista sênior do LCO e professor adjunto de física da UCSB. “Ele relacionou as oscilações ao modelo de magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica — a relatividade geral. É incrivelmente elegante.” Filippenko acrescentou: “Ver um efeito claro da teoria da relatividade geral de Einstein é sempre emocionante, mas vê-lo pela primeira vez em uma supernova é especialmente gratificante.”
Filippenko alertou que a conclusão de Farah não significa que todas as supernovas superluminosas sejam alimentadas por magnetars. Existe também a teoria alternativa: a de que a onda de choque da estrela em explosão atinge o material ao seu redor, aumentando ligeiramente seu brilho. Além disso, Kasen propôs que, se o colapso do núcleo de uma estrela resultar em um buraco negro, isso também poderia alimentar uma supernova mais brilhante e, caso possuísse um disco de acreção desalinhado, produzir picos na curva de luz.
“Não sabemos qual fração das supernovas superluminosas do Tipo I pode ser alimentada por material circunstelar, mas é definitivamente uma fração menor do que pensávamos anteriormente, porque esta descoberta claramente explica algumas delas”, disse Filippenko.
Futuras buscas por supernovas "cantantes"
Farah espera encontrar dezenas de outras supernovas "cantantes" à medida que o Observatório Vera C. Rubin se prepara para entrar em operação e iniciar o levantamento mais abrangente do céu noturno até hoje.
“Esta é a coisa mais emocionante da qual já tive o privilégio de participar. Esta é a ciência com a qual sonhei quando criança”, disse Farah. “É o universo nos dizendo em voz alta e na nossa cara que ainda não o entendemos completamente, e nos desafiando a explicá-lo.”
Scitechdaily.com
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