Pela primeira vez, os astrônomos observaram o nascimento de um magnetar, uma estrela de nêutrons de rotação rápida e de tipo extremamente magnético. A descoberta confirma que estes objetos exóticos podem produzir algumas das explosões estelares mais brilhantes alguma vez vistas.
A descoberta também confirma uma teoria proposta pela primeira vez há 16 anos por um físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, e revela uma característica recentemente reconhecida de algumas estrelas em explosão: um “chilrear” característico à sua luz que só pode ser explicado pela teoria da relatividade geral de Einstein. O estudo foi publicado na revista Natureza.
O mistério das supernovas mais brilhantes
As supernovas superluminosas estão entre as explosões mais espetaculares do universo, brilhando 10 ou mais vezes mais que as supernovas normais. Desde que os astrónomos as identificaram pela primeira vez no início dos anos 2000, têm lutado para explicar porque é que estas explosões permanecem intensamente brilhantes muito depois do núcleo de ferro da estrela massiva colapsar e ejetar as suas camadas exteriores para o espaço.
Em 2010, o astrofísico teórico da UC Berkeley, Dan Kasen, sugeriu que a resposta era um magnetar recém-nascido. A sua teoria, escrita em co-autoria com Lars Bildsten e proposta de forma independente por Stanford Woosley da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, postulava 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 esta estrela primordial possuísse um campo magnético poderoso, o colapso tê-la-ia fortalecido dramaticamente, produzindo um magnetar com um campo magnético 100 a 1000 vezes mais forte do que o de um pulsar normal. Embora tanto os pulsares como os magnetares tenham apenas cerca de 16 quilómetros de diâmetro, os jovens magnetares podem girar mais de 1.000 vezes por segundo.
À medida que giram, os seus poderosos campos magnéticos aceleram as partículas carregadas que se chocam contra os detritos em expansão da supernova, injetando energia extra que mantém a explosão durante muito mais tempo do que o esperado. Acredita-se que os magnetares criem misteriosas rajadas rápidas de rádio.
O “chilrear” de uma supernova revela a verdade
Joseph Fara, um estudante de pós-graduação da UC Santa Barbara e do Observatório Las Cumbres (LCO), encontrou a evidência mais forte para esta teoria depois de estudar uma supernova descoberta em 2024 conhecida como SN 2024afav. Farah, que se juntará à equipe de pesquisa de Cassen na UC Berkeley neste outono como estudante de graduação da Miller, e seus colegas concluíram que as saliências incomuns na curva de luz da supernova são evidência direta de que um magnetar foi formado durante a explosão.
“O que é realmente emocionante é que esta é uma evidência definitiva de que o magnetar é formado pelo colapso do núcleo de uma supernova superluminosa,” disse Alex Filipenko, distinto professor de astronomia da UC Berkeley, co-autor do estudo e um dos futuros mentores de Farah.
“A base do modelo de Dan Kassen e Stan Woosley é que tudo que você precisa é da energia magnetar que está bem no fundo, e grande parte dela será absorvida, e isso explicaria por que essa coisa é superluminosa. O que não foi demonstrado é que o magnetar realmente se formou no centro da supernova, que é o que o artigo de Joseph mostra.”
Kassen disse que os pesquisadores há muito suspeitam que essas explosões incomuns alimentam um magnetar oculto.
“Durante anos, a ideia de um magnetar parecia quase um truque de mágica de um teórico – escondendo um poderoso motor atrás de camadas de detritos de supernova. Era uma explicação natural para o brilho incomum dessas explosões, mas não podíamos vê-lo diretamente”, disse ele. “O chilrear neste sinal de supernova é como aquele motor que puxa a cortina e revela que ela realmente está lá.”
Rastreando a explosão a um bilhão 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 aproximadamente bilhões de anos-luz da Terra.
Farah e o astrônomo da UCSB Andy Howell notaram algo incomum depois que a supernova atingiu o pico cerca de 50 dias após a explosão. Em vez de desaparecer suavemente, como acontece com a maioria das supernovas, seu brilho aumentou e diminuiu repetidamente. Os intervalos entre essas flutuações tornaram-se gradualmente mais curtos, criando quatro saliências distintas na curva de luz.
Farah comparou o padrão ao tom crescente do chilrear de um pássaro.
As supernovas superluminosas anteriores às vezes apresentavam uma ou duas saliências, muitas vezes atribuídas a ondas de choque que colidiam com as camadas de gás que cercavam a estrela moribunda. Mas nenhum evento anterior contou com quatro.
A teoria geral da relatividade de Einstein explica o sinal
O modelo de Farr sugere que parte do material ejetado pela explosão mais tarde caiu de volta em direção ao magnetar recém-nascido, formando um disco de acreção.
Como este disco provavelmente estava inclinado em relação à rotação do magnetor, a teoria de Einstein prevê que uma estrela de nêutrons em rotação rápida arrastaria consigo a estrutura circundante do espaço-tempo, criando um fenômeno chamado precessão de Linz-Thirring. Este efeito faz com que o disco inclinado oscile.
À medida que o disco oscilante bloqueia e reflete periodicamente a luz do magnetor, o sistema se comporta como um farol cósmico tremeluzente. Com o tempo, o disco espirala para dentro, fazendo com que a oscilação acelere. Isto faz com que os pulsos de luz viajem mais rápido, criando o “chirp” característico que os astrônomos detectam.
“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada por campos magnéticos magnetares, mas apenas a precessão de Lenz-Thiring foi perfeitamente sincronizada”, disse Farah. “Esta é a primeira vez que a relatividade geral é necessária para descrever a mecânica de uma supernova.”
A equipe também calculou que a estrela de nêutrons gira a cada 4,2 milissegundos e tem um campo magnético cerca de 300 trilhões de vezes mais forte que o da Terra, o que define as características do magnetar.
“Acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, disse Howell. “Ele vinculou as desigualdades ao modelo magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica, a relatividade geral. É incrivelmente elegante.”
Filipenko acrescentou: “Ver um efeito óbvio da teoria da relatividade geral de Einstein é sempre emocionante, mas vê-lo pela primeira vez numa supernova é especialmente emocionante”.
Mais mistérios ainda permanecem
Os investigadores alertam que os magnetares não conseguem explicar todas as supernovas superluminosas.
Alguns deles podem acender quando a onda de choque da explosão atinge o material circundante. Kassen também sugeriu que se uma estrela em colapso formar um buraco negro em vez de um magnetar, ela também poderia produzir uma supernova incomumente brilhante. Um disco de acreção inclinado em torno de um buraco negro também pode criar irregularidades na curva de luz.
“Não sabemos que fração de supernovas superluminosas do Tipo I poderia ter sido fornecida por material circunstelar, mas é certamente uma fração menor do que pensávamos antes, porque esta descoberta explica claramente parte disso”, disse Filipenko.
Farah espera que os astrônomos descubram muito mais supernovas “chilreantes” assim que o Observatório Vera K. Rubin iniciar uma pesquisa sem precedentes do céu noturno.
“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.”
Howell, Logan Proust, agora no Flatiron Institute em Nova York, e Yuan Qi Ni da UCSB contribuíram igualmente para o estudo. Filippenko agradeceu a Christopher R. Redlich e a muitos outros doadores pelo seu apoio financeiro.
