Astrônomos do MIT capturam uma estrela que pode viver por bilhões de anos

A maioria dos planetas, incluindo a Terra, giram em torno de suas estrelas em órbitas relativamente estáveis. Mas estes acordos pacíficos podem por vezes terminar de forma violenta. Se um planeta se aproximar demasiado da sua estrela hospedeira, a gravidade da estrela pode puxá-lo para dentro e eventualmente engoli-lo.

Os cientistas observaram muitos sistemas planetários com órbitas estáveis, bem como um pequeno número de estrelas apanhadas engolindo rapidamente os seus companheiros planetários. Agora, os pesquisadores identificaram algo que fica entre esses dois extremos.

Em um estudo publicado em 5 de outubro astronomia da naturezaUma equipe internacional liderada por cientistas do MIT descreveu uma estrela que está lentamente corroendo uma anã marrom, um objeto mais massivo que um planeta típico, mas não suficientemente massivo para sustentar a fusão de hidrogênio que alimenta estrelas normais.

O sistema, designado ZTF J0440+2325, está localizado a cerca de 300 anos-luz de distância, na nossa galáxia, a Via Láctea. Este é o primeiro exemplo observado de uma estrela de baixa massa puxando continuamente material de outro objeto de baixa massa.

O que é ainda mais notável é que a transferência de material está a ocorrer tão lentamente que a estrela pode continuar a alimentar a sua companheira durante centenas de milhares de anos, possivelmente até milhares de milhões de anos.

“Quando pensamos nas interações das estrelas com planetas ou anãs marrons, a imagem é sempre a de que a estrela eventualmente engole a outra coisa”, diz Kevin Burge, professor assistente de física no MIT. “Isto é o que acontecerá à Terra quando o Sol se tornar uma gigante vermelha. Mas aqui encontrámos uma alternativa: em vez de engolir a coisa, a estrela pode comê-la lentamente ao longo de milhares de milhões de anos.”

A equipe de pesquisa do MIT também inclui Aaron Householder, Kaitlyn Shinn, Saul Rappaport, Johanna Chakraborty e Emma Chicles. Colaboradores adicionais contribuíram do Caltech, da Universidade do Havaí, do Instituto de Astrofísica de Canarias e da Universidade de La Laguna na Espanha, e do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Um sinal misterioso que intriga os astrônomos há anos

As primeiras pistas para esta ligação estelar invulgar vieram do Zwicky Transient Facility (ZTF), um levantamento astronómico que procura objetos cujo brilho varia ao longo do tempo.

Trabalhando com um telescópio no Observatório Palomar, na Califórnia, a ZTF fotografa repetidamente grandes seções do céu noturno. A sua câmara sensível pode detectar mudanças súbitas ou incomuns na luz que podem indicar eventos cósmicos poderosos, incluindo explosões de estrelas chamadas supernovas, explosões de raios gama e colisões entre estrelas de neutrões.

Há vários anos, ao examinar observações recolhidas pela ZTF, Berge notou um padrão particularmente estranho.

Os astrônomos estudam as mudanças no brilho de um objeto usando um gráfico chamado curva de luz. Para algumas supernovas, esses gráficos formam uma forma redonda em forma de sino à medida que a estrela em explosão fica mais brilhante e depois desaparece lentamente.

O sinal que Berge encontrou parecia completamente diferente. Em vez de uma subida e descida suave, o brilho repetidamente se assemelhava a um triângulo.

Ele lembra: “Lembro-me de ter visto pela primeira vez e pensado: as estrelas não formam ondas triangulares assim”.

Na época, Burge e seus colegas estavam investigando outro sinal incomum originado de um sistema chamado “binário da viúva negra”.

Esses sistemas consistem em uma estrela de nêutrons, um remanescente excepcionalmente denso de uma estrela massiva que girou rapidamente enquanto retirava material de uma companheira muito menor. Elas recebem o nome de aranhas viúvas negras devido à forma como uma estrela de nêutrons destrói lentamente sua companheira.

Burge inicialmente considerou se o sinal triangular repetido poderia vir de outro sistema Black Widow. No entanto, as observações não corresponderam às expectativas gerais dos astrónomos.

Num binário típico da Viúva Negra, a forte oposição entre as massas de dois objetos produz um movimento específico. A companheira menor gira rapidamente em torno da estrela de nêutrons, muito mais massiva, causando mudanças detectáveis ​​na luz que chega à Terra.

Mas o misterioso sinal triangular não mostrou nenhuma evidência de movimento aparente semelhante.

“Não estávamos aqui para ver aquela surra”, diz Burge. “Não fazia sentido. Não sabíamos o que era.”

Essa discrepância levou os pesquisadores a considerar outra possibilidade. Talvez um objeto extremamente massivo no sistema não tenha sido emparelhado com um companheiro muito mais leve. Em vez disso, as massas de ambos os objetos podem ser relativamente pequenas, permitindo-lhes orbitar um ao outro com movimentos muito menos dramáticos.

“Se o seu sistema tiver baixa massa geral, as coisas podem orbitar umas às outras lentamente, sem se moverem para frente e para trás”, diz Burge. “Essa era a ideia. Mas nunca tivemos nenhuma prova. E esse estranho triângulo ficou ali por anos.”

Uma anã marrom que orbita sua estrela a cada 87 minutos

Por fim, Burge e Aaron Householder, um estudante graduado do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT, retornaram ao sinal inexplicável.

Usando as observações originais da ZTF, identificaram a sua fonte como um objeto a cerca de 300 anos-luz de distância, na Via Láctea. Eles então direcionaram vários telescópios para o sistema, ZTF J0440+2325, para examinar suas propriedades com mais detalhes.

Uma medição importante envolveu determinar o quanto os objetos no sistema se movem em resposta à sua atração gravitacional mútua. Embora os pesquisadores tenham detectado alguma oscilação, ela foi muito menor do que o movimento normalmente associado aos binários da viúva negra.

“Ele foi o verdadeiro divisor de águas deste sistema”, diz Householder. “Quando medimos essa oscilação, descobrimos que não estávamos a olhar para uma viúva negra. Era uma estrela de baixa massa orbitada por uma anã castanha. A amplitude da oscilação era demasiado pequena para ser qualquer outra coisa.”

As observações revelaram dois objetos invulgarmente densos orbitando a distâncias extremamente próximas.

A massa da estrela central é cerca de 85 vezes a de Júpiter, enquanto a anã marrom pesa cerca de 25 vezes a de Júpiter. Para efeito de comparação, o Sol é 1.000 vezes mais massivo que Júpiter.

A anã marrom completa uma revolução completa em torno de sua estrela hospedeira em apenas 87 minutos. Toda a sua órbita é tão pequena que cabe no diâmetro do Sol.

Esse arranjo excepcionalmente próximo sugeria que a gravidade pode fazer mais do que apenas manter os objetos em órbita. Os investigadores suspeitaram que a estrela poderia estar a afastar ativamente matéria da anã castanha.

Cientistas descobrem uma nova forma de canibalismo estelar

Quando um objeto celeste absorve gás ou outro material de outro, os astrônomos chamam o processo de acréscimo.

A acreção é particularmente familiar em sistemas que envolvem buracos negros e estrelas de nêutrons. Embora estes objetos possam ser extremamente massivos, as suas dimensões físicas são relativamente pequenas. Por exemplo, o material que cai em direção a um buraco negro forma frequentemente um disco giratório em torno dele antes de ser sugado.

Mas o ZTF J0440+2325 parece funcionar de forma diferente.

Em vez de um buraco negro ou uma estrela de nêutrons acumulando matéria, uma estrela típica de baixa massa está adquirindo material de uma anã marrom próxima. Como a superfície física da estrela é muito maior do que a de um objeto denso como um buraco negro, o material que chega pode atacá-lo diretamente.

“A diferença aqui é que a coisa que absorve a matéria não é um pequeno buraco negro, mas uma estrela, que é relativamente grande em tamanho”, explica Berge. “Portanto, o material atinge a superfície diretamente em alta velocidade, assim como um asteróide atinge a Lua”.

Para testar se isso estava realmente acontecendo, os pesquisadores criaram uma simulação computacional do sistema.

Eles modelaram as partículas originárias da anã marrom e calcularam como essas partículas se moveriam sob a influência gravitacional de ambos os objetos. A simulação incluiu propriedades medidas da estrela e da sua companheira, bem como as equações físicas que governam o movimento orbital.

Os resultados apoiaram as suspeitas da equipe. O material ejetado da anã marrom segue trajetórias que o levam diretamente para dentro da estrela.

“Quando rastreamos essas partículas de teste, vemos que elas caem diretamente na superfície da estrela”, diz Householder. “Esta é a primeira vez que vimos uma estrela de baixa massa acumulando-se ativamente a partir de outro objeto de baixa massa.”

Uma festa cósmica que pode durar bilhões de anos

A equipe também estimou a rapidez com que a anã marrom está perdendo material.

De acordo com os seus cálculos, a estrela consome cerca de um centésimo milésimo da massa da Terra todos os anos.

Esta quantidade pode parecer insignificante, mas representa uma enorme quantidade de material. Os pesquisadores comparam isso com cerca de 40 milhões de caminhões basculantes da substância, ou cerca de 1,3 trilhão de burritos de meio quilo por segundo.

Apesar destes números surpreendentes, a anã castanha é tão massiva que esta perda física representa apenas uma pequena fração da sua massa total.

Do ponto de vista astronômico, o processo alimentar é notavelmente gradual.

Com base nas propriedades do sistema e na taxa estimada de transferência de massa, os investigadores acreditam que a estrela poderá continuar a absorver matéria da sua companheira durante milhares de milhões de anos.

Em vez de uma colisão súbita e catastrófica que destruiria o objeto mais pequeno, a estrela parece estar a manter um fluxo relativamente constante de material do seu vizinho.

Essa constatação também ajudou a explicar o estranho padrão de luz triangular que primeiro chamou a atenção de Berge.

À medida que a matéria flui da anã marrom em direção à estrela, ela colide com a superfície estelar em alta velocidade, criando uma região extremamente quente.

Este ponto quente brilhante atua como uma bola de fogo contínua na estrela.

À medida que a anã castanha gira na sua órbita de 87 minutos, o ponto quente entra e sai repetidamente do campo de visão do observador. Essas mudanças na visibilidade produzem padrões distintos de brilho e escurecimento que os astrónomos têm lutado para compreender.

“É como se você tivesse uma bola de fogo contínua em um objeto e, à medida que um objeto orbita o outro, esse ponto quente entra e sai de vista, e o pico do sinal triangular ocorre quando você olha para a bola de fogo”, explica Burge.

Um estranho sistema estelar abre uma nova janela para a evolução planetária

Com o sinal triangular finalmente explicado, os investigadores estão agora interessados ​​em identificar outros sistemas estelares que se comportem de maneira semelhante.

Até agora, as observações de interações próximas entre estrelas e os seus companheiros planetários têm enfatizado em grande parte ou órbitas estáveis ​​ou eventos de engolfamento relativamente rápidos.

ZTF J0440+2325 mostra que existe outra possibilidade. Sob as condições certas, um asteroide pode expelir continuamente matéria de uma anã marrom próxima, sem destruí-la imediatamente.

Encontrar exemplos adicionais pode ajudar os astrónomos a determinar o quão comum é este processo, por quanto tempo pode continuar e o que acontece com os objetos capturados em relações tão excepcionalmente próximas.

A descoberta também pode fornecer novos insights sobre a evolução dos planetas e anãs marrons que orbitam perto de suas estrelas hospedeiras.

“Está inspirando muitas novas descobertas de nossa parte”, diz Householder. “Acho que vamos aprender muito sobre uma forma diferente como os planetas e as anãs marrons interagem com as suas estrelas hospedeiras.”

Esta pesquisa recebeu apoio parcial da National Science Foundation.