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, Joseph Fara, um estudante do quinto ano da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, notou algo completamente inesperado. A supernova pareceu produzir um sinal estranho que se acelerou com o tempo, o que ele descreveu como um “som estridente”.
Em um novo estudo aceito pela revista NaturezaFarah e uma equipe internacional de pesquisadores relatam a descoberta de uma supernova superluminosa (SN 2024afav) com comportamento bastante incomum. O grupo inclui o conselheiro de Fara, Andy Howell, que lidera o Grupo de Pesquisa de Supernovas no Observatório Las Cumbres (LCO). Ao aplicar ideias da relatividade geral às consequências de uma explosão estelar massiva, os investigadores foram capazes de explicar os estranhos sinais observados neste evento invulgarmente brilhante.
O mistério das explosões de brilho das supernovas
Quando uma estrela massiva esgota o seu combustível nuclear, o seu núcleo entra em colapso e provoca uma explosão dramática conhecida como supernova. A maioria das supernovas prossegue suavemente, iluminando-se gradualmente antes de desaparecer lentamente. Mesmo as supernovas comuns podem escurecer temporariamente galáxias inteiras.
No entanto, os astrónomos identificaram recentemente um grupo raro conhecido como supernovas superluminosas que brilham 10 a 100 vezes mais que o normal. Os cientistas ainda não compreendem totalmente o poder destas explosões extremas. Muitos deles mostram estranhas flutuações no brilho, breves explosões de luz que interrompem a esperada curva suave e sugerem que processos complexos estão se desenrolando nos detritos em expansão.
Os pesquisadores propuseram várias explicações para esses picos de brilho. Uma possibilidade é que a fonte de energia esteja no centro da explosão. Neste cenário, a estrela em colapso forma uma estrela de nêutrons, um remanescente incrivelmente denso que injeta energia nos detritos circundantes e aumenta o brilho da supernova. Outra ideia sugere que os picos de brilho ocorrem quando a onda de choque da explosão atinge os densos envelopes de gás que rodeiam a estrela. Estas colisões podem amplificar temporariamente a luz proveniente do material em expansão.
Um estranho sinal de uma supernova distante
Os cientistas do LCO têm estado de olho no SN 2024afav, que fica a cerca de bilhões de anos-luz da Terra. Durante as suas observações, notaram uma série de irregularidades 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 batida diminuía rapidamente. Isso significava que o sinal estava ocorrendo cada vez com mais frequência.
Pela primeira vez, os astrónomos observaram uma supernova que produzia um sinal quase periódico cuja frequência aumentava, formando um “chirp”. O fenômeno é semelhante aos sinais detectados nas ondas gravitacionais quando dois buracos negros espiralam juntos.
“Simplesmente não existia um modelo que pudesse explicar o padrão de solavancos que se tornava mais rápido ao longo do tempo”, disse Farah. “Comecei a pensar em como isso poderia acontecer porque o sinal parecia muito estruturado para ser devido a interações aleatórias”.
Ímã no centro
A ideia que finalmente explicou o sinal veio de uma fonte inesperada. Na época, Farah estava participando de um curso sobre relatividade geral ministrado pelo físico da UCLA Gary Horowitz.
Farah sugeriu que a supernova deixou para trás um magnetar, um tipo de estrela de nêutrons que gira muito rápido e possui um campo magnético incomumente forte. Nos modelos atuais, o magnetar pode atuar como fonte de energia que alimenta a supernova, tornando-a excepcionalmente brilhante e moldando a sua curva de luz geral.
Mas os modelos existentes de magnetares não conseguem explicar as desigualdades recorrentes. Estas flutuações podem ocorrer devido a interações com o gás circundante ou devido a distúrbios na produção de energia do magnetor.
Farah propôs outro mecanismo. Em seu modelo, parte do material explodido volta para o magnetor e forma um disco de acreção inclinado. Devido a um efeito da relatividade geral conhecido como precessão de Linz-Thiring, o magnetar giratório torce o espaço-tempo circundante, fazendo com que o disco oscile.
À medida que o disco entra em precessão, ele bloqueia e reflete periodicamente a luz proveniente do magnetor. Isso faz com que o sistema se comporte como um farol cósmico tremeluzente. À medida que o disco se move gradualmente para dentro em direção ao magnetor, sua oscilação acelera. Como resultado, os pulsos acelerados de luz detectados na Terra criam um “chilrear” característico.
Testando a explicação da relatividade
A precessão Lens-Thirring não é o único processo que pode fazer com que um disco oscile. Para testar a sua explicação, Farah e os seus colegas trabalharam com o teórico Logan Proust (ex-bolseiro de pós-doutoramento no Instituto Cowley de Física Teórica da UCSB) para explorar várias outras possibilidades.
O SN 2024afav provou ser um laboratório poderoso para testar essas ideias, porque qualquer modelo deve ajustar-se tanto ao período do sinal quanto à taxa de mudança de período.
“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada por campos magnéticos magnetares, mas apenas a precessão de Lenz-Thiring foi perfeitamente cronometrada,” explicou Farah. “Esta é a primeira vez que a relatividade geral foi aplicada para descrever a mecânica de uma supernova.”
Telescópio global
A captura da descoberta exigiu uma coordenação rápida através de uma rede global de telescópios. A primeira explosão da explosão foi registrada pela primeira vez em dezembro de 2024 pela sonda ATLAS. Os observatórios da rede de observatórios Las Cumbres, com sede em Galeta, acompanharam o evento por mais de 200 dias.
Durante esta longa campanha, os investigadores utilizaram toda a gama de instrumentos LCO para observar a supernova quase continuamente. Eles também ajustaram estratégias de observação em tempo real para garantir que mesmo as menores flutuações no brilho fossem registradas.
“Esta é uma grande vitória para o LCO”, disse Farah. “Os dados excepcionalmente puros e de alta cadência do LCO nos permitiram prever solavancos futuros, e a capacidade de ajustar dinamicamente a campanha rapidamente nos permitiu testar nossas previsões em tempo real. Quando as previsões começaram a se tornar realidade, percebemos que estávamos testemunhando algo especial.”
A pesquisa representa um grande avanço por dois motivos. Primeiro, identifica o primeiro exemplo conhecido de “chilrear” numa supernova, revelando um novo tipo de comportamento observado em estrelas em explosão. Em segundo lugar, fornece a evidência mais forte até agora de que os magnetares alimentam supernovas superluminosas, transformando o que era uma explicação teórica num mecanismo confirmado.
Olhando para o futuro em busca de descobertas
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 Sciences da Universidade da Califórnia, Berkeley. Lá ele trabalhará com o professor Dan Kasen, o cientista que originalmente propôs o modelo da supernova movida magneticamente.
O conselheiro de Farah, Andy Howell, enfatizou a importância da abertura.
“Estive envolvido na descoberta de supernovas superluminosas há quase 20 anos e, no início, não sabíamos o que eram. Depois, o modelo magnetar foi desenvolvido e parecia que poderia explicar as energias impressionantes necessárias, mas não as irregularidades.
“Agora, acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, continuou Howell, “e conectou as desigualdades ao modelo magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica, a relatividade geral.
Farah acredita que os astrônomos descobrirão em breve muito mais supernovas “chilreantes”. O próximo Observatório Vera C. Rubin, no Chile, iniciará em breve um estudo sem precedentes do céu noturno, gerando cerca de 10 terabytes de dados todas as noites durante o programa de dez anos.
“Esta é a coisa mais emocionante da qual já tive a honra de fazer parte. Esta é a ciência com a qual sonhei quando criança”, disse Farah. “É o universo nos dizendo em voz alta e na nossa cara que ainda não entendemos muito bem, e nos chamando para explicá-lo.”
