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As estrelas mortas mais extremas do universo podem se formar a partir de anãs brancas vampiras – e os cientistas finalmente sabem como
Quando estrelas do tamanho do nosso Sol morrem, deixam para trás poderosos remanescentes estelares chamados anãs brancas — e estas anãs brancas podem transformar-se em objetos ainda mais extremos chamados estrelas de neutrões, compostos pelo material mais denso do Universo. No entanto, os cientistas descobriram que as condições devem ser “perfeitas” para que a grande reforma ocorra. Você pode pensar nisso como uma situação cósmica de “Cachinhos Dourados”.
Acontece que a anã branca deve estar se alimentando de uma estrela companheira, como uma espécie de vampiro cósmico.
Estrelas de nêutrons e anãs brancas ambos nascem quando as estrelas ficam sem o suprimento de combustível necessário para a fusão nuclear que acontece em seus núcleos, mas a diferença entre os dois está em suas massas.
Estrelas com massas semelhantes à do Sol terminam as suas vidas quando ficam sem hidrogénio nos seus núcleos. Isto interrompe o processo de fusão nuclear – que envolve a conversão desse hidrogénio em hélio – levando as estrelas a colapsar e a libertarem-se das suas camadas exteriores para se tornarem numa anã branca com cerca da massa do Sol comprimida na largura da Terra.
Quando estrelas com massa cerca de oito vezes maior que a de o sol colapsam após ficar sem hidrogênio em seus núcleos, eles geram pressão e calor suficientes nesses núcleos para fundir o hélio produzido em elementos ainda mais pesados. Este processo só termina quando a estrela atinge um núcleo de ferro. O colapso final resulta em um supernova explosão e cria uma estrela de nêutrons com massa entre uma e duas vezes a do sol. Essa é a forma usual como as estrelas de nêutrons se formam.
No entanto, e se houver uma ponte entre o cenário da anã branca e o cenário da estrela de nêutrons? Os cientistas há muito que suspeitam que existe de facto um caminho para uma anã branca se tornar uma estrela de neutrões. Este novo trabalho mapeia esse caminho, chamando-o de colapso induzido por acréscimo (AIC).
“Na AIC, o progenitor já é um remanescente estelar, e o gatilho não é sua própria evolução, mas o material entregue a ele por um companheiro”, disse o líder da equipe Laurenz Thümmler da ETH Zurique ao Space.com.
O pesquisador acrescentou que um AIC começa com um remanescente estelar na forma de uma anã branca, enquanto a rota tradicional para o nascimento de uma estrela de nêutrons começa com uma estrela massiva “viva”. No entanto, no AIC, o colapso de uma anã branca sobrealimentada continua de uma forma bastante semelhante ao colapso de uma estrela massiva que cria uma estrela de neutrões.
Como explica Thümmler, em ambos os casos, o processo de criação da estrela de nêutrons envolve a implosão do núcleo da estrela massiva e partículas velozes chamadas “neutrinos” que levam embora a energia do evento. No entanto, uma diferença importante está no cenário “padrão” de colapso estelar massivo, o subsequente colapso do núcleo da supernova e o nascimento da estrela de nêutrons acontecem dentro de um envelope espesso de material que foi ejetado durante os estertores da morte da estrela massiva. Nos AICs, entretanto, esse envelope espesso de matéria está ausente.
“Espera-se que o AIC seja fraco e rápido, e é por isso que tão pouca matéria é ejetada em comparação com uma supernova comum. Nem todas as anãs brancas poderiam passar por um AIC, e esse é o ponto essencial.”
Embora os AICs tenham sido teorizados há anos, Thümmler e a equipe queriam saber quais características uma anã branca precisaria para passar por essa transformação. Eles começaram a investigar isso usando simulações tridimensionais.
É o que está dentro que conta
A maioria das anãs brancas consiste em carbono e oxigênio. No entanto, algumas estrelas colapsam para formar uma anã branca composta de oxigênio, néon e magnésio. Isto só acontece para uma faixa estreita de massas estelares, o que significa que esta composição representa uma população minoritária de anãs brancas.
Quando as anãs brancas de carbono e oxigênio se alimentam demais de material estelar de uma estrela companheira ou doadora, elas eventualmente alcançam o chamado Limite de Chandrasekhargeralmente em torno de 1,4 massas estelares. Acima deste limite, elas podem se transformar em supernovas. No entanto, elas não se tornam estrelas de nêutrons como resultado dessas supernovas do “Tipo 1a”, mas são completamente destruídas. As anãs brancas de oxigênio, néon e magnésio podem evitar essa destruição graças às suas altas densidades.
“Elas normalmente nascem mais massivas e mais densas do que as anãs brancas de carbono-oxigênio e, portanto, requerem menos massa adicional para se aproximarem do limite de Chandrasekhar”, disse Thümmler.
No entanto, Thümmler e colegas descobriram que esta não é a única condição necessária para provocar uma AIC. A anã branca também não pode ser muito gananciosa.
A equipa descobriu que a taxa de acreção, ou taxa à qual o material da estrela doadora cai sobre a anã branca, tem de estar dentro de uma janela bastante estreita para permitir que ocorra um AIC.
“Se for muito baixo, as erupções de novas podem expelir novamente grande parte do material acumulado; se for muito alto, os ventos, a expansão do envelope ou a interação binária podem impedir que a anã branca atinja as condições necessárias para o colapso”, disse Thümmler. “A acumulação tem que ser rápida e constante o suficiente para chegar lá sem desencadear queimaduras explosivas ao longo do caminho.
“Quando essas condições se mantêm, os eletrões são capturados nos núcleos de néon e magnésio. Isto remove a pressão que sustenta a estrela e segue-se o colapso.”
Tudo isto significa que se espera que as AIC sejam acontecimentos raros, embora a taxa a que ocorrem permaneça altamente incerta.
A equipe também descobriu que o ambiente em torno dos AICs é um tanto surpreendente.
“Esperávamos que o material mais rico em nêutrons, que produz os elementos mais pesados, emergisse ao longo do eixo de rotação, já que é aí que o fluxo impulsionado magneticamente é mais forte”, disse Thümmler. “Isso não acontece.”
Em vez disso, os modelos da equipa revelaram material rico em neutrões a emergir nas latitudes médias das anãs brancas à medida que estas se transformam em estrelas de neutrões. Esta é a região onde os fluxos de matéria impulsionados por campos magnéticos intensos colidem com ventos aquecidos por neutrinos transportadores de energia.
Thümmler explicou que isto é significativo porque significa que estes eventos pareceriam diferentes com base no ângulo em que são observados.
Como detectar transformações de anãs brancas
Laurenz disse que esses AICs poderiam ser identificados por Observatório Vera C. Rubin e outros telescópios como um evento óptico e ultravioleta brilhante com duração de dois a três dias, potencialmente acompanhado por emissões de raios X e emissões de rádio de maior duração.
No entanto, as estrelas de neutrões criadas por tais eventos podem ser difíceis de distinguir dos remanescentes estelares nascidos da forma tradicional.
“Espera-se que povoem a extremidade inferior da distribuição de massa das estrelas de neutrões porque a anã branca em colapso tem uma massa próxima do limite de Chandrasekhar e ejecta relativamente pouco material,” disse Thümmler. “No entanto, canais comuns de colapso estelar, particularmente aqueles que envolvem progenitores de baixa massa, também podem produzir estrelas de nêutrons com massas de aproximadamente 1,1 a 1,4 massas solares, portanto, uma massa baixa por si só não indicaria exclusivamente uma origem AIC.”
A equipe ainda não terminou de investigar os AICs, com Thümmler explicando que há duas abordagens principais a serem adotadas a seguir.
“A primeira é tornar as curvas de luz previstas mais confiáveis, acompanhando tanto o aquecimento radioativo quanto a injeção de energia com muito mais detalhes”, disse Thümmler. “Isso requer distinguir a energia transportada por raios gama, que pode escapar relativamente cedo do material ejetado de baixa massa, daquele depositado de forma mais eficiente por partículas carregadas, ao mesmo tempo que modela como o vento da estrela de nêutrons aquece e acelera o material rico em elementos pesados.”
As simulações da equipe podem então ser usadas para acompanhar a expansão do material ejetado do AIC e calcular como a curva de luz observada e os espectros dependem do ângulo de visão.
“Este trabalho está em andamento”, disse Thümmler. “A segunda direção é testar a robustez da geometria da explosão, uma vez que nossos modelos atuais começam com uma configuração de campo magnético relativamente simples e campos mais complexos ou inclinados podem produzir diferentes padrões angulares de material ejetado.”
A pesquisa da equipe está disponível para visualização como pré-impressão no site do repositório de artigos arXiv.
