Os astrônomos observaram, pela primeira vez, o nascimento de um magnetar, um tipo de estrela de nêutrons altamente magnética e de rotação rápida. A descoberta confirma que estes exoplanetas podem alimentar as explosões estelares mais brilhantes alguma vez vistas.
A descoberta também valida uma teoria proposta pela primeira vez por um físico da UC Berkeley há 16 anos e revela uma característica recentemente reconhecida de algumas estrelas em explosão: um “brilho” distinto na sua luz que só pode ser explicado usando a teoria da relatividade geral de Einstein. A pesquisa está publicada na revista a natureza.
O mistério por trás da supernova mais brilhante
As supernovas superluminosas estão entre as explosões mais espetaculares do universo, 10 ou mais vezes mais brilhantes que as supernovas normais. Desde que os astrónomos as detectaram pela primeira vez no início dos anos 2000, têm lutado para explicar porque é que estas explosões permanecem intensamente brilhantes depois de o núcleo de ferro de uma estrela massiva ter colapsado e lançado as suas camadas exteriores para o espaço.
Em 2010, o astrônomo teórico da UC Berkeley, Dan Cassen, propôs que a resposta é um ímã nascente. A sua teoria, de coautoria com Lars Bildsten e proposta de forma independente por Stanford Woosley da UC Santa Cruz, argumentava que quando uma estrela massiva chega ao fim da sua vida, o seu núcleo pode colapsar numa estrela de neutrões incrivelmente densa em vez de se tornar num buraco negro.
Se essa estrela original tivesse um campo magnético forte, o colapso iria expandi-la dramaticamente, criando um íman com um campo magnético 100 a 1.000 vezes mais forte do que um pulsar típico. Embora tanto o pulsar como o magnetar tenham cerca de 16 quilómetros de diâmetro, o jovem magnetar pode rodar mais de 1.000 vezes por segundo.
À medida que giram, os seus fortes campos magnéticos aceleram as partículas carregadas que se chocam contra os detritos em expansão da supernova, injetando energia extra que mantém a explosão a arder durante muito mais tempo do que o esperado. Acredita-se também que os magnetares produzem misteriosas rajadas de rádio rápidas.
Uma supernova “chilreante” revela a verdade
O estudante de pós-graduação da UC Santa Bárbara e do Observatório Las Cumbres (LCO), Joseph Farah, encontrou a evidência mais forte até agora para esta teoria depois de estudar uma supernova descoberta em 2024, conhecida como SN 2024afav. Farah, que se juntará ao grupo de investigação de Kasen na UC Berkeley neste outono como bolseiro de pós-doutoramento da Miller, e os seus colegas concluíram que as saliências invulgares na curva de luz da supernova fornecem evidência direta de que um íman se formou durante a explosão.
“O que é realmente emocionante é que esta é uma evidência definitiva da criação de um ímã a partir do colapso de um núcleo superluminoso de supernova”, disse Alex Filipenko, professor ilustre de astronomia da UC Berkeley, coautor do estudo e futuro mentor de Farah.
“A premissa do modelo de Dan Cassen e Stan Woosley é que tudo que você precisa é de energia nas profundezas do magnetar e uma boa fração dela será absorvida, e isso explicaria por que o objeto é superluminoso. O que não foi mostrado foi que um magnetar realmente formou o núcleo da supernova, e é isso que o artigo de Zoff mostra.”
Kassen disse que os pesquisadores já suspeitavam há muito tempo que um ímã oculto estava alimentando essas explosões extraordinárias.
“Durante anos, a ideia de um magnetar pareceu quase um truque de mágica de um teórico – escondendo um motor poderoso atrás de camadas de detritos de supernova. Foi uma explicação natural para o brilho extraordinário desta explosão, mas não pudemos vê-la diretamente”, disse ele. “O som deste sinal de supernova é como o motor puxando a cortina e revelando que ela realmente está lá.”
Rastreando explosões a bilhões de anos-luz de distância
Depois que o SN 2024afav foi descoberto em dezembro de 2024, o Observatório Las Cumbres, uma rede global de 27 telescópios, monitorou a explosão por mais de 200 dias. A supernova ocorreu a cerca de um bilhão de anos-luz de distância da Terra.
Farah e o astrônomo da UCSB Andy Howell notaram algo incomum depois que a supernova atingiu o brilho máximo cerca de 50 dias após a explosão. Em vez de desaparecer suavemente, como acontece com a maioria das supernovas, seu brilho aumenta e diminui repetidamente. O intervalo entre estas flutuações torna-se progressivamente mais curto, criando quatro saliências distintas na curva de luz.
Farah comparou o padrão ao tom crescente do chilrear de um pássaro.
As supernovas superluminosas anteriores ocasionalmente mostravam um ou dois choques, muitas vezes interpretados como ondas de choque colidindo com as camadas de gás que cercam a estrela moribunda. Mas nenhum evento anterior contou com quatro.
A relatividade geral de Einstein explica o sinal
O modelo de Farah sugere que parte do material ejetado pela explosão retorna então ao ímã nascente para formar um disco de acreção.
Como este disco estava presumivelmente inclinado em relação à rotação do magnetar, a teoria de Einstein previu que a estrela de nêutrons em rotação rápida arrastaria consigo o tecido circundante do espaço-tempo, criando um fenômeno chamado precessão de impulso de lente. Este efeito faz com que o disco inclinado oscile.
À medida que o disco instável bloqueia e reflete alternadamente a luz do ímã, o sistema se comporta como um farol cósmico tremeluzente. Com o tempo, o disco espirala para dentro, fazendo com que a oscilação aumente. Isto cria o distinto “esquilo” detectado pelos astrônomos, com pulsos de luz chegando mais rapidamente.
“Testamos uma série de ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelo campo magnético do ímã, mas apenas a precessão da lente-Thuring correspondeu ao tempo corretamente”, disse Farah. “Esta é a primeira vez que a relatividade geral é necessária para descrever a mecânica de uma supernova.”
A equipe também estimou que a estrela de nêutrons gira uma vez a cada 4,2 milissegundos e tem um campo magnético cerca de 300 trilhões de vezes mais forte que o da Terra, ambas características típicas de uma magnetosfera.
“Acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, disse Howell. “Ele vinculou as saliências ao modelo magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica – a relatividade geral. É incrivelmente elegante.”
“É sempre emocionante ver uma implicação clara da teoria geral da relatividade de Einstein, mas vê-la pela primeira vez numa supernova é especialmente gratificante”, acrescentou Filippenko.
Mais mistérios ainda permanecem
Os investigadores alertam que os ímanes não conseguem explicar todas as supernovas superluminosas.
Em vez disso, alguns podem brilhar quando a onda de choque da explosão atinge o material circundante. Kassen também sugeriu que se uma estrela em colapso produzisse um buraco negro em vez de um íman, poderia igualmente produzir uma supernova invulgarmente brilhante. Um disco de acreção inclinado em torno de um buraco negro também pode causar uma perturbação na curva de luz.
“Não sabemos que fração de supernovas superluminosas do tipo I pode ser alimentada por material cíclico, mas é certamente uma fração menor do que pensávamos antes, porque esta descoberta explica claramente algumas delas”, disse Filipenko.
Farah espera que os astrônomos descubram muito mais supernovas “chilreantes” quando o Observatório Vera C. Rubin iniciar uma pesquisa sem precedentes do céu noturno.
“Esta é a coisa mais emocionante da qual já tive a oportunidade de fazer parte. Esta é a ciência com que sonhei quando criança”, disse Farah. “É o universo nos dizendo em voz alta e na nossa cara que ainda não o entendemos completamente e nos desafiando a explicá-lo.”
Howell, Logan Prost, agora no Flatiron Institute em Nova York, e Yuan Qi Ni da UCSB contribuíram igualmente para a pesquisa. Philippenko Christopher R. reconhece o apoio financeiro de Redlich e de muitos outros doadores.
