Tempos turbulentos: quando duas estrelas se aproximam

Traduzido de: Turbulent times: When stars approach

Astrofísicos do HITS usam novo método para simular a fase de envelope comum de estrelas binárias e descobrem irregularidades dinâmicas que podem auxiliar a explicar como as supernovas evoluem

HEIDELBERG INSTITUTE FOR THEORETICAL STUDIES (HITS)

 

Quando olhamos para o céu noturno, vemos as estrelas como pequenos pontos de luz vivendo sua solitária existência a distâncias enormes da Terra. Mas as aparências enganam. Mais da metade das estrelas que conhecemos têm uma companheira, uma segunda estrela próxima que pode ter uma enorme influência sobre sua companheira primária. A influência mútua nestes sistemas binários de estrelas fica particularmente intenso quando as estrelas passam por uma fase na qual elas são circundadas por um envelope comum, feito de hidrogênio e hélio. Comparada com o tempo total que as estrelas levam para evoluir, essa fase é extremamente curta, de forma que os astrônomos têm grandes dificuldades para observá-la e, desta forma, compreendê-la. É aqui onde entram modelos teóricos de simulação computadorizada. As pesquisas sobre este fenômeno são relevantes para a compreensão do fenômeno astronômico conhecido como supernovas.

Usando novos métodos, os astrofísicos Sebastian Ohlmann, Friedrich Roepke, Ruediger Pakmor e Volker Springel do Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) deram um passo à frente na modelagem deste fenômeno. Conforme relatam em The Astrophysical Journal Letters, os cientistas usaram com sucesso simulações para descobrir irregularidades dinâmicas que acontecem durante a fase de envelope comum e são cruciais para a existência subsequente de sistemas binários de estrelas. Essas instabilidades modificam o fluxo da matéria para dentro do envelope, o que por sua vez influencia a distância entre as estrelas e estabelece, por exemplo, se vai resultar em uma supernova e, caso afirmativo, de que tipo será.

O artigo é fruto da colaboração entre dois grupos de pesquisa do HITS, o grupo de Física de Objetos Estelares (Physics of Stellar Objects = PSO) e o grupo de Astrofísica Teórica (Theoretical Astrophysics group  = TAP). O programa Arepo para simulações de hidrodinâmica do Prof. Volker Springel foi empregado e adaptado para a modelagem. Este resolve as equações em uma grade móvel que segue o fluxo de massa e, assim, aumenta a precisão do modelo.

Duas estrelas, um envelope

Mais da metade das estrelas conhecidas evoluíram em sistemas binários. A energia de sua luminosidade vem da fusão nuclear de hidrogênio em seus núcleos. Assim que o hidrogênio que alimenta a fusão acaba na estrela mais pesada, o núcleo da estrela encolhe. Ao mesmo tempo, começa a aparecer um envelope estelar grandemente estendido, feito de hidrogênio e hélio. Então a estrela se torna uma gigante vermelha.

Na medida em que o envelope da gigante vermelha continua a se expandir, a estrela secundária puxa o envelope para si por meio da gravidade e parte do envelope flui em sua direção. No descurso desse processo, as estrelas se aproximam. Por fim, a estrela secundária pode cair no envelope da gigante vermelha e ambas passam a ser circundadas pelo mesmo envelope. Quando os núcleos da gigante vermelha e da secundária se aproximam, a atração gravitacional entre eles libera energia que passa para o envelope comum. Em decorrência disso, o envelope é ejetado e se mistura à matéria interestelar da galáxia, deixando para trás um sistema binário próximo que consiste do núcleo da gigante vermelha e da estrela secundária.

O caminho para a explosão estelar

Sebastian Ohlmann do grupo PSO explica por que essa fase de envelope comum é importante para a compreensão dos modos como vários sistemas estelares evoluem: “Dependendo daquilo com o que o envelope comum se parece no início, muitos fenômenos diferentes podem se seguir no final, tal como uma supernova termonuclear”. Ohlmann e seus colegas estão investigando o roteiro dessas explosões estelares que estão entre os eventos mais luminosos do universo e podem iluminar toda uma galáxia. Porém a modelagem de sistemas que podem levar a tais explosões. é assolada pelas incertezas sobre a fase de envelope comum. Uma das razões para isto é que o núcleo da gigante vermelha é qualquer coisa entre mil e dez mil vezes menor do que o envelope, de forma que as diferenças nas escalas temporal e espacial complicam o processo de modelagem e tornam necessárias aproximações. As simulações metodicamente inovadoras realizadas pelos cientistas de Heidelberg são um primeiro passo para a compreensão dessa fase.

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Artigo publicado:

Ohlmann, S. T., Roepke, F. K., Pakmor, R., & Springel, V. (2016):
Hydrodynamic moving-mesh simulations of the common envelope phase in binary stellar systems, The Astrophysical Journal Letters, 816, L9, DOI: 10.3847/2041-8205/816/1/L9
http://arxiv.org/abs/1512.04529

O Universo está acelerando?… Não tão depressa…

UNIVERSIDADE DO ARIZONA

Traduzido de: “Accelerating Universe? Not so fast”.

Certos tipos de supernovas, ou estrelas que passam por uma explosão, são mais diferentes do que se pensava, foi o que uma equipe de astrônomos da Univesidade do Arizona descobriu. Os resultados, relatados em dois artigos no Astrophysical Journal, têm implicações sobre importantes questões cosmológicas, tais como o quão rápido o universo vem se expandindo desde o Big Bang.

Mais importante ainda, as descobertas sugerem a possibilidade de que a aceleração da expansão do universo pode não ser tão grande quanto os livros texto dizem.

A equipe, liderada pelo astrônomo Peter A. Milne da UA, descobriu que as supernovas tipo Ia que eram consideradas tão uniformes que os cosmologistas as usavam como “faróis cósmicos” para medir as profundidades do universo, na verdade constituem duas populações diferentes. As descobertas são análogas a examinar uma seleção de lâmpadas de 100 W de uma loja de ferragens e descobrir que as luminosidades das mesmas variam.

“Descobrimos que as diferenças não são aleatórias, mas levam a separar as supernovas tipo Ia em dois grupos, onde o grupo que é minoria em nossas proximidades, é maioria nas grandes distâncias – e portanto quando o universo era mais jovem”, diz Milne, astrônomo associado do Departamento de Astronomia da UA e do Observatório Steward. “Existem populações diferentes lá fora e isso não era reconhecido. A suposição geral era que, perto ou longe, as supernovas tipo Ia eram as mesmas. Não parece ser esse o caso”.

A descoberta lança uma nova luz sobre a ideia atualmente aceita de que o universo está se expandindo cada vez mais rápido, esgarçado por uma força pouco entendida, batizada de energia escura. Esta ideia se baseia em observações que resultaram no Prêmio Nobel de Física de 2011, concedido aa três cientistas, entre os quais o ex-aluno da UA Brian P. Schmidt.

Os laureados com o Nobel descobriram independentemente que várias supernovas aparentavam ser mais tênues do que o previsto porque tinham se movido mais para longe da Terra do que deveriam, se o universo estivesse se expandindo em uma taxa constante. Isso indicava que a taxa com a qual as estrelas e galáxias estão se separando umas das outras estaria aumentando; em outras palavras, algo estava esgarçando o universo cada vez mais rápido.

“A ideia subjacente a este raciocínio” explica Milne, “é que as supernovas tipo Ia têm sempre a mesma luminosidade — todas elas acabam de modo bem semelhante quando explodem. Assim que souberam o motivo, passaram a usar essas estrelas como marcos quilométricos para medir o universo distante”.

“As supernovas muito distantes deveriam ser iguais às próximas porque se pareciam com elas, mas, porque elas são menos brilhantes do que se esperaria, isto levou à conclusão de que elas estão mais longe do que se pensava, o que, por sua vez, levou à conclusão de que o universo está se expandindo mais depressa do que no passado”.

Milne e seus coautores — Ryan J. Foley da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign, Peter J. Brown da Universidade Texas A&M  e Gautham Narayan do Observatório Astronômico Ótico Nacional (National Optical Astronomy Observatory = or NOAO) em Tucson — observaram uma grande amostra de supernovas tipo Ia em ultravioleta e luz visível. Para este estudo, eles combinaram observações feitas com o Telescópio Espacial Hubble com as feitas pelo satélite Swift da NASA.

Os dados coletados pelo Swift foram cruciais porque as diferenças entre as populações — pequenos desvios para o vermelho ou para o azul — são sutis na luz visível que tinha sido utilizada para detectar as supernovas tipo Ia anteriormente, mas só ficaram óbvias com as observações posteriores com o Swift na faixa do ultravioleta.

“Estes são grandes resultados”, comentou Neil Gehrels, principal investigador do satélite Swift, coautor do primeiro artigo. “Estou encantado que o Swift tenha proporcionado observações tão importantes, relacionadas com uma meta totalmente independente de sua missão primária. Isto demonstra a flexibilidade de nosso satélite em responder prontamente a novos fenômenos”.

“A percepção de que existiam dois grupos de supernovas tipo Ia começou com os dados do Swift”, diz Milne. “Então analisamos outros conjuntos de dados para ver se víamos o mesmo. E descobrimos que a tendência estava presente em todos os conjuntos de dados”.

“À medida em que se volta atrás no tempo, vemos uma mudança na população de supernovas”, acrescenta ele. “A explosão tem algo de diferente, algo que não salta aos olhos na faixa de luz visível, mas visível no ultravioleta”.

“Como ninguém tinha percebido isto antes, todas essas supernovas eram enfiadas no mesmo saco. No entanto, se você olhar para 10 delas nas proximidades, elas estarão mais “avermelhadas” do que outra amostra de 10 supernovas mais distantes”.

Os autores concluem que alguns relatos de aceleração da expansão do universo podem ser explicados por diferenças na coloração entre os dois grupos de supernovas, o que daria uma aceleração menor do que a inicialmente calculada. Isto, por sua vez, levaria a menos energia escura do que se calcula correntemente.  .

“Nossa proposta é que nossos dados sugerem que pode haver menos energia escura do que dizem os atuais livros texto, no entanto não conseguimos traduzir isto em números”, disse Milne. “Até nosso artigo, as duas populações de supernovas eram tratadas como sendo da mesma população. Para obter a resposta final, será necessário realizar todo o trabalho de novo, separadamente para as populações azul e vermelha”.

 

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O artigo da pesquisa está disponível online em http://iopscience.iop.org/0004-637X/803/1/20/.

Novidades acerca das Supernovas

Queen’s University Belfast

Cientistas da Queen’s University lançam novas luzes sobre a morte de estrelas

Estudo sobre supernovas será publicado na Nature em 17 de outubro.

Os astrônomos da Queen’s University lançaram novas luzes sobre as mais raras e mais brilhantes explosões de estrelas jamais descobertas no universo.

Credit: ESO/L.Calçada

Crédito: ESO/L.Calçada

A pesquisa, será publicada na edição de 17 de outubro da Nature – uma das publicações científicas mais prestigiosas do mundo. Ela propõe que as supernovas – estrelas explodidas – mais luminosas são energizadas por estrelas de nêutrons pequenas e incrivelmente densas, com campos magnéticos gigantescos que giram a centenas de vezes por segundo.

Os cientistas do Centro de Pesquisas Astrofísicas da Queen’s observaram duas supernovas super-luminosas – duas das estrelas explodidas mais luminosas do universo – por mais de um ano. Ao contrário das teorias correntes, que sugerem que as supernovas mais brilhantes são causadas pela explosão de estrelas super-massivas, as descobertas sugerem que sua origem pode ser melhor explicada por um tipo de explosão dentro do núcleo da estrela que cria uma estrela magnética menor, porém extremamente densa e que gira muito rápido.

Matt Nicholl, um estudante pesquisador do Centro de Pesquisas de Astrofísica na Escola de Matemática e Física da Queen’s, é o autor principal do artigo. Segundo ele: “As supernovas são vários bilhões de vezes mais brilhantes do que o Sol e, na verdade, são tão brilhantes que os astrônomos amadores as buscam regularmente nas galáxias próximas. Há décadas que se sabe que o calor e a luz dessas supernovas vêm de poderosas ondas de choque e material radioativo”.

“Porém foram recentemente encontradas algumas supernovas muito inusitadas que são brilhantes demais para serem explicadas desse jeito. Elas são centenas de vezes mais brilhantes do que aquelas encontradas ao longo dos últimos 50 anos e a origem de suas propriedades extremadas é algo muito misterioso”.

“Alguns físicos teóricos predisseram que estes tipos de explosão se originavam das maiores estrelas do universo se destruindo de maneira quase igual a uma bomba termonuclear. No entanto, os dados que obtivemos não corroboram essa teoria”.

“Na explosão de uma supernova, as camadas externas da estrela são violentamente ejetadas, enquanto seu núcleo colapsa para formam uma estrela de nêutrons extremamente densa – que pesa o mesmo que o Sol, mas com um diâmetro de poucas dezenas de quilômetros. Acreditamos que, em um pequeno número de casos, a estrela de nêutrons tenha um campo magnético muito forte e que gire incrivelmente rápido – cerca de 300 vezes por segundo. Na medida em que a rotação abranda, ela pode transferir energia da rotação [NT: leia-se: momento angular] para toda a supernova, através do magnetismo, tornando-a muito mais brilhante do que o normal. Os dados que obtivemos concordam com essa previsão quase que exatamente”.

Os astrônomos da Queen’s lideraram uma equipe internacional de cientistas neste estudo, empregando alguns dos telescópios mais poderosos do mundo. Grande parte dos dados coletados o foi com o Pan-STARRS – o Telescópio de Pesquisa Panorâmica e Sistema Rápido de Resposta. Com base no Monte Haleakala no Hawaii, o Pan-STARRS tem a maior câmera digital do mundo e pode cobrir uma área com 40 vezes o tamanho da Lua cheia em uma única foto.

Este estudo é um dos projetos financiados por um fundo de € 2,3 milhões do Conselho de Pesquisas Europeu, administrado pelo Professor Stephen Smartt, Diretor do Centro de Astrofísica da Queen’s, a partir de 2012, para condução de pesquisas internacionais sobre as primeiras supernovas do universo.

O Professor Smartt declarou: “Estas são supernovas realmente especiais. Já que elas são tão brilhantes, podemos usá-las como luzes de navegação no universo muito distante. Como a luz viaja pelo espaço a uma velocidade fixa, à medida em que olhamos mais distante, vemos imagens de um passado constantemente mais distante no tempo. Ao compreendermos os processos que levam a essas estonteantes explosões, podemos sondar o universo tal como ele era logo após seu nascimento. Nossa meta é achar essas supernovas do universo primitivo e observá-las a produzir os primeiros elementos químicos criados no universo”.

Link para o artigo completo na Nature: www.nature.com/nature/journal/v502/n7471/full/nature12569.html

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