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Kepler além dos planetas: descobrindo estrelas explosivas


Um guia para as supernovas: quatro tipos de explosões estelares.
Crédito: NASA

O astrônomo Ed Shaya encontrava-se no seu escritório olhando para dados do Telescópio Espacial Kepler da NASA em 2012 quando notou algo invulgar: a luz de uma galáxia havia subido rapidamente 10% de brilho. Shaya ficou instantaneamente emocionado com este aumento súbito de luz, mas também nervoso. O efeito pode ser explicado pela enorme explosão de uma estrela - uma supernova! - ou, mais perturbadoramente, um erro de computador.

"Lembro-me que naquele dia não sabia se devia acreditar ou não," recorda-se. Em vez de celebrar, pensou: "Será que cometi um erro? Estou a fazer tudo errado?"



As explosões estelares produzem e distribuem materiais que compõem o mundo em que vivemos, e também contêm pistas sobre a rapidez com que o Universo se expande. Ao compreender as supernovas, os cientistas podem desvendar mistérios que são fundamentais para o que somos feitos e para o destino do nosso Universo. Mas, para obter a imagem completa, os cientistas devem observar as supernovas a partir de várias perspetivas, especialmente nos primeiros momentos da explosão. O que é realmente difícil - ninguém sabe quando ou onde uma supernova pode ter lugar.

Um pequeno grupo de astrônomos, incluindo Shaya, percebeu que o Kepler podia fornecer uma nova técnica para caçar supernovas. Lançado em 2009, o Kepler é mais conhecido por ter descoberto milhares de exoplanetas. Mas, como um telescópio que olha fixamente para trechos isolados do espaço durante longos períodos de tempo, pode capturar um vasto repositório de outros tesouros cósmicos - especialmente o tipo que muda rapidamente ou aparece e desaparece de vista, como as supernovas.

"O Kepler criou uma nova maneira de olhar para o céu," comenta Jessie Dotson, cientista do projeto Kepler no Centro de Pesquisa Ames da NASA em Silicon Valley, no estado norte-americano da Califórnia. "Foi projetado para fazer uma coisa muito bem, encontrar planetas em torno de outras estrelas. Para tal, tem de fornecer dados contínuos e de alta precisão, que têm sido valiosos para outras áreas da astronomia."

Originalmente, Shaya e colegas estavam à procura de núcleos galácticos ativos nos seus dados do Kepler. Um núcleo galáctico ativo é uma área extremamente brilhante no centro de uma galáxia onde um buraco negro voraz é rodeado por um disco de gás quente. Pensaram em procurar supernovas, mas dado que as supernovas são eventos tão raros, não mencionaram tal objetivo na sua proposta. "Era demasiado incerto," acrescenta Shaya.

Não tendo a certeza se o sinal de supernova que encontrou era real, Shaya e o seu colega Robert Olling da Universidade de Maryland passaram meses a desenvolver um software para melhor calibrar os dados do Kepler, levando em conta variações de temperatura e no apontamento do instrumento. Ainda assim, o sinal da supernova persistia. De facto, encontraram mais cinco supernovas na sua amostra do Kepler de mais de 400 galáxias. Quando Olling mostrou um dos sinais a Armin Rest, agora astrônomo do STScI (Space Science Institute) em Baltimore, EUA, "comecei a babar-me," comentou. Tinha-se aberto a porta para uma nova maneira de rastrear e entender as explosões estelares.

Hoje, estes astrônomos fazem parte do Levantamento Extra-Galáctico do Kepler, uma colaboração entre sete cientistas nos Estados Unidos, Austrália e Chile que procuram supernovas e núcleos galácticos ativos para explorar a física do nosso Universo. Até à data, encontraram mais de 20 supernovas usando dados da nave Kepler, incluindo um tipo exótico relatado por Rest num novo estudo publicado na Nature Astronomy.

"Possuímos algumas das supernovas mais bem compreendidas," realça Brad Tucker, astrônomo do Observatório do Monte Stromlo da Universidade Nacional da Austrália, que faz parte do Levantamento Extra-Galáctico do Kepler.



Porque nos preocupamos com as supernovas?

Um antigo mistério da astrofísica é como e porque razão as estrelas explodem de maneiras diferentes. Um tipo de supernova ocorre quando uma densa estrela moribunda chamada anã branca explode. Um segundo tipo ocorre quando uma única estrela gigantesca chega ao fim da sua vida e o seu núcleo não pode mais suportar as forças gravitacionais que agem sobre ele. Os detalhes destas categorias gerais ainda estão a ser trabalhados.

O primeiro tipo, chamado "tipo Ia" (pronunciado "um a") é especial porque o brilho intrínseco de cada uma destas supernovas é quase o mesmo. Os astrônomos usam esta propriedade padrão para medir a expansão do Universo e descobriram que as supernovas mais distantes eram menos brilhantes do que o esperado. Isso indica que estavam mais distantes do que os cientistas pensavam, já que a luz é esticada ao longo do espaço em expansão. Isto provou que o Universo está em expansão a um ritmo acelerado e rendeu a esses investigadores o Prêmio Nobel em 2011. A teoria principal é que uma força misteriosa chamada "energia escura" está a empurrar tudo no Universo para longe, cada vez mais depressa.

Mas à medida que os astrônomos encontram cada vez mais exemplos de explosões do tipo Ia, incluindo com o Kepler, percebem que nem todas são criadas iguais. Enquanto algumas destas supernovas acontecem quando uma anã branca rouba demasiada matéria da sua companheira, outras são o resultado da fusão de duas anãs brancas. De facto, as fusões de anãs brancas podem ser mais comuns. Mais investigações sobre supernovas com o Kepler ajudarão os astrônomos na sua missão de descobrir se mecanismos diferentes do tipo Ia resultam em algumas supernovas mais brilhantes do que outras - o que afetaria a forma como são usadas para medir a expansão do Universo.

"Para se ter uma melhor ideia da energia escura, temos que melhor compreender como é que estas supernovas do tipo Ia são formadas," explica Rest.



Outro tipo de supernova, a variedade do "colapso central", ocorre quando uma estrela massiva termina a sua vida numa explosão. Isto inclui as supernovas do "tipo II". Estas supernovas têm uma onda de choque característica, que foi capturada pela primeira vez no ótico pelo Kepler. A equipa do Levantamento Extra-Galáctico do Kepler, liderada pelo membro Peter Garnavich, professor de astrofísica da Universidade de Notre Dame em Indiana, EUA, avistou esta frente de choque em dados de 2011 do Kepler de uma supernova chamada KSN 2011d, uma explosão de uma estrela com aproximadamente 500 vezes o tamanho do nosso Sol. Surpreendentemente, a equipa não encontrou uma onda de choque numa supernova do tipo II mais pequena de nome KSN 2011a, cuja estrela tinha 300 vezes o tamanho do Sol - mas ao invés encontrou a supernova aninhada numa camada de poeira, sugerindo que havia igualmente diversidade nas explosões estelares do tipo II.

Os dados do Kepler revelaram outros mistérios sobre as supernovas. O novo estudo liderado por Rest na Nature Astronomy descreve uma supernova a partir de dados captados pela missão estendida do Kepler, chamada K2, que atinge o seu pico de brilho em pouco mais de dois dias, cerca de dez vezes menos do que as outras demoram. É o exemplo mais extremo conhecido de uma supernova "transitória luminosa em rápida evolução" (em inglês, "fast-evolving luminous transient" ou FELT). As supernovas FELT são tão brilhantes quanto a variedade do tipo Ia, mas aumentam de brilho em menos de 10 dias e desvanecem em aproximadamente 30. É possível que a estrela tenha expelido uma densa camada de gás cerca de um ano antes da explosão e, quando a supernova ocorreu, ejetou material que atingiu a camada de poeira. A energia libertada nessa colisão explicaria o rápido aumento de brilho.

Porquê o Kepler?

Os telescópios na Terra fornecem muitas informações sobre a explosão de estrelas, mas apenas em curtos períodos de tempo - e só quando o Sol se põe e o céu está limpo - de modo que é difícil documentar os efeitos "antes" e "depois" destas explosões. O Kepler, por outro lado, fornece aos astrônomos a rara oportunidade de monitorizar continuamente zonas do céu, durante meses, como uma câmara num carro que está sempre a gravar. De facto, a missão principal do Kepler, que decorreu de 2009 a 2013, forneceu quatro anos de observações do mesmo campo de visão, tirando uma fotografia a cada 30 minutos. Na missão estendida K2, o telescópio mantém o seu olhar fixo até três meses.



Com telescópios terrestres, os astrônomos podem determinar a cor de uma supernova e como muda com o tempo, o que permite descobrir quais os elementos químicos presentes na explosão. A composição da supernova ajuda a determinar o tipo de estrela que explodiu. O Kepler, por outro lado, revela o como e o porquê da estrela ter explodido, e os detalhes de como a explosão progride. Usando os dois conjuntos de dados, os astrônomos podem obter as imagens mais completas de sempre do comportamento das supernovas.

Os planeadores da missão Kepler reavivaram o telescópio em 2013, após o mau funcionamento do segundo dos seus quatro giroscópios - dispositivos que ajudam a controlar a orientação da nave. Na configuração chamada K2, precisa de girar mais ou menos a cada três meses - marcando assim as "campanhas" de observação. Os membros do Levantamento Extra-Galáctico do Kepler argumentaram que, na missão K2, o Kepler podia ainda monitorizar supernovas e outros objetos astrofísicos distantes, além de exoplanetas.

As possibilidades eram tão empolgantes que a equipe do Kepler criou duas campanhas de observação K2 especialmente úteis para coordenar estudos de supernovas com telescópios terrestres. A Campanha 16, que teve início no dia 7 de dezembro de 2017 e terminou no dia 25 de fevereiro de 2018, incluía 9000 galáxias. Existem cerca de 14.000 na Campanha 17, que está agora a começar. Em ambas as campanhas, o Kepler aponta na direção da Terra para que os observadores no solo possam ver a mesma zona do céu que a nave. As campanhas animaram uma comunidade de investigadores que podem aproveitar esta rara coordenação entre o Kepler e os telescópios terrestres.

Uma possível observação recente entusiasmou os astrônomos no domingo em que ocorria a famosa Super Bowl (4 de fevereiro). Naquele "super"-dia, o levantamento ASASSN (All Sky Automated Survey for SuperNovae) relatou uma supernova na mesma galáxia vizinha que o Kepler estava a monitorizar. Este é apenas um dos muitos eventos candidatos que os cientistas estão ansiosos por acompanhar e talvez usar para melhor compreender os segredos do Universo.

Mais algumas supernovas podem surgir graças ao satélite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA, com lançamento previsto para o dia 16 de abril. Entretanto, os cientistas terão muito trabalho pela frente assim que receberem o conjunto de dados completo das campanhas do K2 focadas nas supernovas.

"Será, durante anos, um tesouro de informações sobre supernovas," conclui Tucker.


Esta ilustração mostra um modelo proposto para o misterioso evento chamado FELT (Fast-Evolving Luminous Transient). No painel da esquerda, uma velha gigante vermelha perde massa via vento estelar. Isto cria uma gigantesca concha de gás e poeira em redor da estrela. No painel do centro, o núcleo da estrela massiva implode para despoletar uma explosão de supernova. No painel da direita, a onda de choque da supernova colide com a concha externa, convertendo a energia cinética da explosão num brilhante surto de luz. O flash de radiação dura apenas alguns dias - um-décimo da duração de uma explosão de supernova típica.
Crédito: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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