Quando estrelas massivas explodem, os astrofísicos normalmente encontram fortes assinaturas de elementos leves, como hidrogênio e hélio. Mas a nova supernova descoberta, chamada SN2021yfj, apresentou uma assinatura química surpreendentemente diferente.

Os astrônomos há muito teorizam que estrelas massivas possuem uma estrutura em camadas, semelhante a uma cebola. As camadas exteriores são predominantemente compostas pelos elementos mais leves. À medida que as camadas se movem para o interior, os elementos se tornam progressivamente mais pesados, até alcançar o núcleo de ferro mais interno.

As observações da SN2021yfj sugerem que a estrela massiva de algum modo perdeu suas camadas externas de hidrogênio, hélio e carbono — expondo as camadas internas ricas em silício e enxofre — antes de explodir. Essa descoberta oferece evidências diretas da longa teoria sobre a estrutura em camadas interna de gigantes estelares e proporciona uma visão sem precedentes do interior profundo de uma estrela massiva — momentos antes de sua morte explosiva.

O estudo foi publicado em 20 de agosto na revista Nature.

“Esta é a primeira vez que vimos uma estrela que estava essencialmente despojada até o osso,” disse Steve Schulze, da Northwestern, que liderou o estudo. “Isso nos mostra como as estrelas são estruturadas e prova que as estrelas podem perder uma quantidade significativa de material antes de explodir. Não apenas podem perder suas camadas externas, mas podem ser completamente despojadas e ainda assim produzir uma explosão brilhante que podemos observar de distâncias muito, muito longas.”

“Este evento parece literalmente nada que alguém tenha jamais visto antes,” acrescentou Adam Miller, da Northwestern, coautor sênior do estudo. “Era tão estranho que pensamos que talvez não tivéssemos observado o objeto correto. Esta estrela está nos dizendo que nossas ideias e teorias sobre como as estrelas evoluem são muito limitadas. Não é que nossos manuais estejam incorretos, mas eles claramente não capturam tudo o que é produzido na natureza. Deve haver caminhos mais exóticos para uma estrela massiva terminar sua vida que não consideramos.”

Schulze, um especialista em objetos transientes mais extremos da astronomia, é associado de pesquisa no Centro para Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Miller é professor assistente de física e astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro destacado do CIERA e do NSF-Simons AI Institute for the Sky.

Uma cebola quente e ardente

Pesar entre 10 a 100 vezes mais do que nosso sol, estrelas massivas são alimentadas pela fusão nuclear. Nesse processo, a pressão intensa e o calor extremo no núcleo estelar fazem com que elementos mais leves se fundam, gerando elementos mais pesados. Quando a temperatura e a densidade aumentam no núcleo, a queima começa nas camadas externas. À medida que a estrela evolui ao longo do tempo, elementos sucessivamente mais pesados são queimados no núcleo, enquanto elementos mais leves são queimados em uma série de camadas ao redor do núcleo. Esse processo continua, levando eventualmente a um núcleo de ferro. Quando o núcleo de ferro colapsa, isso desencadeia uma supernova ou forma um buraco negro.

Embora estrelas massivas normalmente percam camadas antes de explodir, a SN2021yfj ejetou muito mais material do que os cientistas haviam detectado anteriormente. Outras observações de “estrelas despojadas” revelaram camadas de hélio ou carbono e oxigênio — expostas após a perda do envelope externo de hidrogênio. Mas os astrofísicos nunca haviam vislumbrado nada mais profundo do que isso — sugerindo que algo extremamente violento e extraordinário deve estar em jogo.

Perseguindo uma estranheza cósmica

Schulze e sua equipe descobriram a SN2021yfj em setembro de 2021, usando o acesso da Northwestern ao Zwicky Transient Facility (ZTF). Localizado a leste de San Diego, o ZTF usa uma câmera com campo de visão amplo para escanear todo o céu visível à noite. Desde seu lançamento, o ZTF se tornou o principal motor de descobertas de transientes astronômicos do mundo — fenômenos fugazes como supernovas que surgem repentinamente e rapidamente desaparecem.

Depois de examinar os dados do ZTF, Schulze avistou um objeto extremamente luminoso em uma região de formação estelar localizada a 2,2 bilhões de anos-luz da Terra.

Para obter mais informações sobre o objeto misterioso, a equipe desejava obter seu espectro, que decompõe a luz dispersa em cores componentes. Cada cor representa um elemento diferente. Assim, ao analisar o espectro de uma supernova, os cientistas podem descobrir quais elementos estão presentes na explosão.

Embora Schulze tenha imediatamente corrido para a ação, sua busca pelo espectro encontrou vários obstáculos. Telescópios ao redor do mundo estavam indisponíveis ou não conseguiam ver através das nuvens para obter uma imagem clara. Felizmente, a equipe recebeu uma surpresa de um colega astrônomo, que coletou um espectro usando instrumentos no W.M. Keck Observatory no Havai.

“Pensávamos que tínhamos perdido totalmente a oportunidade de obter essas observações,” disse Miller. “Então, fomos dormir desapontados. Mas, na manhã seguinte, um colega da UC Berkeley inesperadamente forneceu um espectro. Sem esse espectro, poderíamos nunca ter percebido que esta era uma explosão estranha e incomum.”

“Vimos uma explosão interessante, mas não tínhamos ideia do que era,” disse Schulze sobre a SN2021yfj. “Quase instantaneamente, percebemos que era algo que nunca havíamos visto antes, então precisávamos estudá-la com todos os recursos disponíveis.”

‘Algo muito violento deve ter ocorrido’

Em vez de hélio típico, carbono, nitrogênio e oxigênio — encontrados em outras supernovas despojadas — o espectro era dominado por fortes sinais de silício, enxofre e argônio. A fusão nuclear produz esses elementos mais pesados dentro do interior profundo de uma estrela massiva durante seus estágios finais de vida.

“Esta estrela perdeu a maior parte do material que produziu ao longo de sua vida,” disse Schulze. “Assim, só podíamos ver o material formado durante os meses que antecederam sua explosão. Algo muito violento deve ter acontecido para causar isso.”

Embora a causa precisa desse fenômeno continue sendo uma questão em aberto, Schulze e Miller propõem que um processo raro e poderoso pode ter estado em ação. Eles estão explorando múltiplos cenários, incluindo interações com uma estrela companheira potencial, uma erupção massiva pré-supernova ou até mesmo ventos estelares incomumente fortes.

Pelo mais provável, a equipe sugere que esta supernova misteriosa é o resultado de uma estrela massiva literalmente se despedaçando. À medida que o núcleo da estrela aperta sob sua própria gravidade, ele se torna ainda mais quente e denso. O calor e a densidade extremos então reacendem a fusão nuclear com tal intensidade incrível que provoca uma poderosa explosão de energia que empurra as camadas externas da estrela para longe. Cada vez que a estrela passa por um novo episódio de instabilidade de pares, a pulsação correspondente despeja mais material.

“Uma das mais recentes ejeções de camada colidiu com uma camada pré-existente, o que produziu a emissão brilhante que vimos como SN2021yfj,” afirmou Schulze.

“Embora tenhamos uma teoria sobre como a natureza criou essa explosão em particular,” disse Miller, “não apostaria minha vida que está correta, porque ainda temos apenas um exemplo descoberto. Esta estrela realmente destaca a necessidade de descobrir mais dessas supernovas raras para entender melhor sua natureza e como se formam.”

O estudo, “Supernova extremamente despojada revela um local de formação de silício e enxofre,” foi apoiado pela National Science Foundation. O apoio do CIERA proporcionou acesso aos dados do telescópio ZTF.