Missão Fermi da NASA descobre possíveis remanescentes de supernovas irmãs

Um novo estudo de dois remanescentes de supernovas, os detritos deixados para trás após a explosão das estrelas, sugere que as explosões vieram de irmãs estelares que uma vez orbitaram uma à outra. A detonação da primeira estrela enviou a sua companheira binária através do espaço e, depois de viajar durante milhares de anos, a estrela sobrevivente também explodiu.

“Usando 16 anos de dados de Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASAnossa análise descobriu raios gama associados a um remanescente de supernova que estava escondido no brilho de sua vizinha, a Nebulosa da Água-viva, um dos remanescentes de supernova emissores de raios gama mais brilhantes conhecidos”, disse Miltiadis Michailidis, pesquisador de pós-doutorado no departamento de física da Universidade de Stanford na Califórnia. “Existem tantas ligações impressionantes entre os dois remanescentes que concluímos que provavelmente estão relacionados, dando-nos o primeiro exemplo conhecido de um sistema binário onde ambas as estrelas sofreram explosões de supernova.”

Michailidis apresentou as conclusões na quarta-feira na 248ª reunião do Sociedade Astronômica Americana em Pasadena, Califórnia. Um artigo descrevendo os resultados aparecerá em uma edição futura da Nature Communications.

O estudo centrou-se num tênue remanescente de supernova chamado G189.6+3.3, que é visível principalmente em raios-X. É ofuscado pelo seu vizinho mais brilhante e mais conhecido, o Nebulosa da Água-viva (IC 443). Os dois destroços estelares, ambos localizados na constelação de Gêmeos, parecem se sobrepor parcialmente, como visto nos raios X. Evidências recentes de raios X sugerem que o plasma quente provavelmente associado ao G189.6+3.3 pode se estender por toda a região, um indício de que a sobreposição pode ser quase total.

Uma estrela massiva explode quando o seu núcleo produtor de energia fica sem combustível e colapsa sob o seu próprio peso, desencadeando uma explosão que despedaça a estrela. A onda de choque da explosão envolve uma nuvem quente de detritos que se expande rapidamente para o espaço. Até agora, os astrónomos catalogaram cerca de 300 remanescentes de supernovas na nossa galáxia.

A missão Fermi faz parte da frota de observatórios da NASA que monitoram as mudanças do cosmos para ajudar a humanidade a entender melhor como o universo funciona. Há mais de uma década, observações do LAT (Large Area Telescope) do Fermi mostraram que as ondas de choque dos remanescentes de supernovas aceleravam as partículas até uma fração da velocidade da luz, um processo proposto pela primeira vez pelo físico Enrico Fermi — homônimo da missão — em 1949.

Essas partículas de alta velocidade, chamadas raios cósmicos, interagem com o gás interestelar para produzir raios gama, a forma de luz de maior energia. Os prótons constituem 99% das partículas dos raios cósmicos. Para provar que os protões acelerados são responsáveis ​​pelo brilho, os astrónomos procuram uma característica específica dos raios gama. Quando os prótons dos raios cósmicos se chocam com o gás interestelar, eles produzem uma partícula de vida curta chamada píon neutro, que quase imediatamente decai em um par de raios gama. Esta emissão ocorre dentro de uma faixa específica de energias associada à massa do píon neutro e está dentro da faixa detectada pelo instrumento LAT do Fermi.

Em 2013, as observações do Fermi provaram que a Nebulosa da Água-viva, que está interagindo com parte de uma nuvem brilhante de gás hidrogênio conhecida como Sharpless 249, produziu raios gama através deste mecanismo. Seu vizinho, G189.6+3.3, foi descoberto em 1994 como parte de uma pesquisa de raios X realizada pelo grupo liderado pela Alemanha ROSAT (Satélite Roentgen).

Um filamento brilhante de gás fica entre os restos sobrepostos. Novas observações desta característica revelam que a onda de choque de G189.6+3.3 colidiu com gás interestelar denso e diminuiu dramaticamente, evidência chave de que ambos os remanescentes estão interagindo com o mesmo sistema de nuvens.

Astrônomos acham que a Nebulosa da Água-viva também é uma candidata PeVatronum acelerador de partículas cósmicas capaz de impulsionar prótons a energias tão altas que quase poderiam escapar da nossa galáxia. Essas partículas podem produzir raios gama com trilhões de vezes mais energia que a luz visível. Encontrar um segundo acelerador de partículas perto da Nebulosa da Água-viva poderia oferecer aos cientistas novas pistas sobre como os remanescentes de supernovas se transformam em PeVatrons.

“Os remanescentes sobrepostos, um filamento de gás conectado e a disponibilidade de dados do Fermi e de outras instalações nos motivaram a mergulhar nesta região complexa, mas pouco estudada”, disse a coautora Marianne Lemoine-Goumard, astrofísica da Universidade Francesa. Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) com sede no Universidade de Bordéus. “Com o instrumento LAT do Fermi, encontrámos emissões de raios gama associadas a protões acelerados na parte norte do remanescente mais fraco. Se ambos os remanescentes estão a interagir com a mesma estrutura, então devem partilhar uma distância comum de nós.”

A equipe conclui que os remanescentes estão a cerca de 6.000 anos-luz de distância, que seus centros de explosão estão separados por cerca de 40 anos-luz projetados no plano do céu e que as estrelas originais podem ter 20 ou mais vezes a massa do Sol.

As estimativas das idades dos remanescentes variam muito, mas a equipe conclui que a idade da Nebulosa da Água-viva é de 8.000 a 9.000 anos, enquanto G189.6+3.3 tem entre 20.000 e 110.000 anos. Isto significa que o atraso entre as explosões poderia ter se estendido por até 100 mil anos.

Além disso, a equipe conduziu simulações computacionais de um milhão de sistemas binários massivos. Eles mostram que os sistemas onde as estrelas orbitam perto o suficiente para trocar matéria e interagir durante as suas vidas podem facilmente produzir explosões duplas de supernovas com separações e atrasos de tempo semelhantes aos encontrados para os remanescentes. A equipe também estimou que a chance de encontrar aleatoriamente essa combinação de alinhamento espacial observado e distâncias compatíveis é inferior a 1%, apoiando fortemente uma associação física.

“As evidências que compilamos – incluindo observações em todo o espectro, as propriedades químicas e físicas dos remanescentes, simulações e muito mais – pintam um quadro convincente de um evento de supernova dupla”, disse Michailidis.

Este estudo identifica um possível exemplo único de um sistema binário onde ambas as estrelas explodiram como supernovas e deixaram para trás restos de supernovas separados e detectáveis. Os astrónomos pensam que a maioria das estrelas massivas se formam em sistemas binários ou com múltiplas estrelas. O complexo Nebulosa da Água-viva/G189.6+3.3 oferece aos astrônomos uma rara oportunidade de estudar como estrelas binárias massivas evoluem, trocam matéria, explodem e experimentam mudanças de velocidade — chamadas de chutes — induzidas pela explosão de supernova. Também fornece um novo e poderoso laboratório para compreender como se comportam os remanescentes de supernovas acoplados, incluindo como aceleram partículas, geram raios gama e moldam os ambientes circundantes.

“As observações de raios gama dos remanescentes de supernovas do Fermi continuam a revelar a vida dinâmica das estrelas”, disse Elizabeth Hays, cientista do projeto Fermi no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. “Podemos agora ligar os restos brilhantes de duas estrelas massivas a um par poderoso que evoluiu em conjunto ao longo de milhares de anos.”

Por Francisco Reddy
Centro de Voo Espacial Goddard da NASACinturão Verde, Maryland.

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Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, Greenbelt, Maryland.