Durante anos, os astrônomos confiaram em supernovas distantes como faróis cósmicos para estudar o universo e testar as leis da física. Mas ao analisar uma explosão estelar específica, o estudante de graduação do quinto ano da UC Santa Bárbara, Joseph Farah, percebeu algo completamente inesperado. A supernova pareceu produzir um sinal estranho que cresceu com o tempo, que ele descreveu como um “chirp”.
Em um novo estudo aceito pela revista a naturezaFarah e uma equipe internacional de pesquisadores relatam a descoberta de uma supernova superluminosa (SN 2024afav) com comportamento altamente incomum. A equipe inclui o conselheiro de Farah, Andy Howell, que lidera a equipe de pesquisa de supernovas no Observatório Las Cumbres (LCO). Ao aplicar ideias da relatividade geral à explosão de uma estrela massiva, os investigadores conseguiram explicar os estranhos sinais observados neste evento extraordinariamente brilhante.
O segredo por trás do brilho das supernovas
Quando uma estrela massiva esgota o seu combustível nuclear, o seu núcleo entra em colapso e produz uma explosão dramática conhecida como supernova. A maioria das supernovas segue um padrão bastante suave, iluminando-se gradualmente antes de desaparecer gradualmente. Mesmo supernovas simples podem superar a galáxia inteira por algum tempo.
No entanto, os astrónomos identificaram recentemente um grupo raro conhecido como supernovas superluminosas, que são 10 a 100 vezes mais brilhantes que o normal. Os cientistas ainda não compreendem totalmente o poder desta explosão extrema. Muitos deles exibem flutuações surpreendentes no brilho, breves picos de luz que interrompem a curva suave esperada e indicam que processos complexos estão se desenrolando dentro dos detritos em expansão.
Os investigadores propuseram várias explicações para este aumento no brilho. Uma possibilidade é que a fonte de energia esteja localizada no centro da explosão. Neste cenário, a estrela entra em colapso para formar uma estrela de nêutrons, um remanescente incrivelmente denso que injeta energia nos detritos circundantes e aumenta o brilho da supernova. Outra teoria propõe que o pico de brilho ocorre quando a onda de choque da explosão atinge a densa camada de gás que rodeia a estrela. Estas colisões podem intensificar temporariamente a luz proveniente do material em expansão.
Um estranho sinal de uma supernova distante
Os cientistas do LCO observaram mais de perto o SN 2024afav, que fica a cerca de um bilhão de anos-luz da Terra. Durante as suas observações, notaram uma série de manchas recorrentes no brilho da supernova.
Farah percebeu que o padrão era estruturado demais para ser explicado por interações aleatórias. As variações seguiam um ritmo suave e ondulatório, e o tempo entre cada colisão diminuía rapidamente. Isso significa que o sinal está ocorrendo com mais frequência.
Pela primeira vez, os astrônomos observaram uma supernova que produz um sinal quase periódico que aumenta de frequência, formando um “chirp”. O fenômeno é semelhante ao sinal detectado nas ondas gravitacionais quando dois buracos negros espiralam juntos.
“Não existia nenhum modelo que pudesse explicar um padrão de solavancos que se acelerava ao longo do tempo”, disse Farah. “Comecei a pensar em como isso poderia acontecer, porque o sinal parecia muito estruturado devido a interações aleatórias”.
Um ímã no centro
A ideia que explica o sinal veio de uma fonte inesperada. Na época, Farah estava participando de um curso de relatividade geral ministrado pelo físico da UCSB Gary Horowitz.
Farah propôs que a supernova deixou para trás um magnetar, um tipo de estrela de nêutrons que gira extremamente rápido e possui um campo magnético extraordinariamente forte. Nos modelos atuais, um íman pode atuar como uma fonte de energia que alimenta uma supernova, tornando-a excepcionalmente brilhante e moldando a sua curva de luz geral.
Mas os modelos existentes de magnetar não conseguiam explicar os solavancos recorrentes. Essas flutuações podem surgir de interações com o gás circundante ou de irregularidades na potência do magnetor.
Farah sugere uma abordagem diferente. Em seu modelo, parte do material explodido cai de volta para o ímã e forma um disco de acreção inclinado. Devido a um efeito da relatividade geral conhecido como precessão de impulso da lente, o ímã giratório gira o espaço-tempo ao seu redor, fazendo com que o disco oscile.
À medida que o disco processa, ele bloqueia e reflete alternadamente a luz do ímã. Isso faz com que o sistema se comporte como um farol cósmico tremeluzente. À medida que o disco se move lentamente em direção ao ímã, sua velocidade de oscilação aumenta. O resultado são pulsos acelerados de luz detectados na Terra, produzindo “chiados” distintos.
Testando a explicação da relatividade
A precessão do lançamento da lente não é o único processo que pode fazer com que o disco oscile. Para testar sua explicação, Farah e colegas trabalharam com o teórico Logan Proust (um ex-bolsista de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB) para testar várias outras possibilidades.
O SN 2024afav revela-se um laboratório poderoso para testar estas ideias porque qualquer modelo deve corresponder tanto ao período como à taxa de variação do período.
“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelo campo magnético do íman, mas apenas a precessão da lente-Thuring correspondeu perfeitamente ao tempo,” explicou Farah. “Esta é a primeira vez que a relatividade geral é invocada para descrever a mecânica de uma supernova.”
Um esforço global de telescópio
A captura da descoberta exigiu uma coordenação rápida através de uma rede global de telescópios. O flash inicial da explosão foi detectado pela primeira vez em dezembro de 2024 pela pesquisa ATLAS. Os observatórios da rede, o Observatório Las Cumbres, com sede em Goleta, acompanharam o evento por mais de 200 dias.
Durante esta campanha prolongada, os investigadores utilizaram toda a gama de instrumentos do LCO para monitorizar supernovas quase continuamente. Eles também ajustam as técnicas de observação em tempo real para garantir que até mesmo as menores flutuações no brilho sejam registradas.
“Esta é uma grande vitória para o LCO”, disse Farah. “Dados de LCO excepcionalmente puros e de alta cadência nos permitem prever solavancos futuros, e a capacidade de ajustar campanhas dinamicamente rapidamente nos permite testar nossas previsões em tempo real. Quando as previsões começaram a se tornar realidade, sabíamos que estávamos vendo algo especial.”
A pesquisa representa um grande avanço por dois motivos. Primeiro, marca o primeiro exemplo conhecido de “amargo” numa supernova, revelando um novo tipo de comportamento observável em explosões estelares. Em segundo lugar, ainda fornece evidências claras de que os ímanes alimentam supernovas superluminosas, transformando uma explicação teórica num mecanismo confirmado.
Olhando para descobertas futuras
Farah defenderá seu doutorado. tese na UCSB em maio deste ano e planeja continuar estudando esses fenômenos como Miller Fellow no Miller Institute for Basic Science da UC Berkeley. Lá ele trabalhará com o professor Dan Kasen, que originalmente propôs o modelo de supernova movido por magnetar.
Andy Howell, conselheiro de Farah, destacou a importância da descoberta.
“Participei na descoberta de supernovas superluminosas há cerca de 20 anos e, no início, não sabíamos o que eram. Depois, o modelo magnetar foi desenvolvido e parecia que poderia explicar as incríveis energias necessárias, mas não as restrições.
“Agora, acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, continuou Howell, “e vinculou as saliências ao modelo do magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica – a relatividade geral. É incrivelmente elegante.”
Farah acredita que os astrônomos detectarão em breve muito mais dessas supernovas “sussurrantes”. O próximo Observatório Vera C. Rubin do Chile iniciará em breve um levantamento sem precedentes do céu noturno, gerando cerca de 10 terabytes de dados todas as noites durante o programa de uma década.
“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.”
