Os astrônomos acreditavam que todas as supernovas do tipo 1a eram essencialmente o mesmo brilho. Isso é um problema, uma vez que esse tipo de supernova é usado como velas padrão para determinar distâncias no Universo. Mais recentemente, essas supernovas foram usadas para calcular a força misteriosa chamada energia escura que parece estar acelerando a expansão do Universo.
Um grupo de cientistas afiliados ao SuperNova Legacy Survey (SNLS) encontrou evidências surpreendentes de que há mais de um tipo de supernova tipo Ia, uma classe de estrelas explosivas que até agora era considerada essencialmente uniforme em todos os aspectos importantes. A supernova SNLS-03D3bb é mais do que duas vezes mais brilhante que a maioria das supernovas do tipo Ia, mas tem muito menos energia cinética e parece ser novamente metade da massa de uma típica tipo Ia.
Os principais autores do relatório, publicado na edição de 21 de setembro da Nature, incluem Andrew Howell, ex-Divisão de Física do Lawrence Berkeley National Laboratory e agora na Universidade de Toronto, e Peter Nugent, astrofísico da Computational Research da Berkeley Lab Divisão. Outros autores principais são Mark Sullivan, da Universidade de Toronto, e Richard Ellis, do California Institute of Technology. Esses e muitos outros autores do artigo da Nature são membros do Supernova Cosmology Project, com sede no Berkeley Lab.
Como quase todas as supernovas do tipo Ia encontradas até agora não são apenas notavelmente brilhantes, mas notavelmente uniformes em seu brilho, elas são consideradas as melhores “velas padrão” astronômicas para medição em distâncias cosmológicas. Em 1998, após observações de muitas supernovas distantes do Tipo Ia, o Supernova Cosmology Project e a rival High-Z Supernova Search Team anunciaram sua descoberta de que a expansão do universo está se acelerando - uma descoberta que em breve seria atribuída ao desconhecido algo chamado dark energia, que preenche o universo e se opõe à atração gravitacional mútua da matéria.
“As supernovas do tipo Ia são consideradas indicadores de distância confiáveis porque possuem uma quantidade padrão de combustível - o carbono e o oxigênio em uma estrela anã branca - e têm um gatilho uniforme”, diz Nugent. “Eles estão previstos para explodir quando a massa da anã branca se aproxima da massa Chandrasekhar, que é cerca de 1,4 vezes a massa do nosso sol. O fato de o SNLS-03D3bb ultrapassar esse tipo de massa abre a caixa de uma Pandora. "
Por que a maioria das supernovas do tipo Ia são iguais
A classificação dos tipos de supernova é baseada em seus espectros. Os espectros do tipo Ia não possuem linhas de hidrogênio, mas possuem linhas de absorção de silício, uma pista para a química de suas explosões. Pensa-se que os progenitores da anã branca das supernovas do tipo Ia, tipicamente cerca de dois terços da massa do sol, acumulem massa adicional de um companheiro binário até que se aproximem do limite de Chandrasekhar. O aumento da pressão faz com que o carbono e o oxigênio no centro da estrela se fundam, produzindo os elementos até o níquel na tabela periódica; a energia liberada nesse processo explode a estrela em pedaços em uma explosão termonuclear titânica.
Algumas variações foram observadas nas supernovas do tipo Ia, mas estas são quase sempre reconciliáveis. O tipo Ia mais brilhante leva mais tempo para aumentar para o brilho máximo e mais para diminuir. Quando as escalas de tempo das curvas de luz individuais são esticadas para se ajustarem à norma e o brilho é escalado de acordo com o alongamento, as curvas de luz do Tipo Ia correspondem.
As diferenças de brilho podem ser devidas a diferentes proporções de carbono e oxigênio nos progenitores, resultando em diferentes quantidades finais de níquel na explosão. O decaimento radioativo do níquel ao cobalto e do ferro alimenta as curvas de luz óptica e infravermelha próxima das supernovas do tipo Ia. Diferenças no brilho aparente também podem ser produtos de assimetria; uma explosão vista de um ângulo pode ser um pouco mais fraca do que de outro.
Nenhuma dessas diferenças possíveis é suficiente para explicar o brilho extremo da supernova SNLS-03D3bb - que é muito brilhante para o seu "alongamento" da curva de luz. Além disso, na maioria das supernovas mais brilhantes, a matéria ejetada da explosão viaja a uma velocidade mais alta; isto é, essas explosões têm mais energia cinética. Mas os ejetos do SNLS-03D3bb eram extraordinariamente lentos.
"Andy Howell juntou dois e dois e percebeu que o SNLS-03D3bb deve ter uma massa super-Chandrasekhar", diz Nugent.
A massa de evidência
Uma pista eram os elementos necessários para produzir o brilho extra. "Todo o poder em um tipo Ia vem da queima de carbono e oxigênio para elementos mais pesados, principalmente o níquel 56", diz Nugent. “Um tipo Ia de brilho normal produz cerca de 60% de uma massa solar equivalente a níquel 56, sendo o restante outros elementos. Mas o SNLS-03D3bb é mais que o dobro da luminosidade normal; deve ter mais que o dobro de níquel 56. A única maneira de conseguir isso é com um progenitor 50% mais massivo que a massa de Chandrasekhar. "
O outro fator é a lentidão dos ejetos do SNLS-03D3bb, conforme detectado na mudança de linhas elementares em seu espectro. A velocidade da supernova ejecta depende da energia cinética liberada na explosão, que é a diferença entre a energia liberada na queima termonuclear menos a energia de ligação que atua para manter a estrela unida, uma função da massa da estrela. Quanto mais maciça a estrela, mais lento o ejeto.
Mas como um progenitor de carbono-oxigênio poderia acumular massa maior que o limite de Chandrasekhar sem explodir? É possível que uma estrela girando muito rapidamente seja mais massiva. Também é possível que duas anãs brancas, com uma massa combinada bem acima do limite de Chandrasekhar, possam colidir e explodir.
Nugent diz: “Uma pista veio do nosso co-autor Mark Sullivan, que nos dados do SNLS já havia encontrado duas taxas distintas para a produção da supernova tipo Ia. Eles podem ser quebrados de maneira grosseira naqueles que vêm de galáxias jovens formadoras de estrelas e nos de galáxias antigas e mortas. Portanto, há uma indicação de que pode haver duas populações do tipo Ia, com dois tipos de progenitores e dois caminhos diferentes para a explosão. "
Nas galáxias antigas e mortas, até as maiores estrelas são pequenas, explica Nugent. Os únicos tipos de supernovas do tipo Ia possíveis nessas galáxias provavelmente são do tipo binário, sistema de acumulação de massa, tipo Chandrasekhar. Porém, galáxias jovens formadoras de estrelas produzem objetos enormes e podem ser ricas em sistemas binários de anã branca e anã branca, os chamados sistemas de "degeneração dupla".
"Se o modelo de degeneração dupla estiver correto, esses sistemas sempre produzirão explosões super-Chandrasekhar nessas galáxias muito jovens", diz Nugent.
As galáxias jovens são mais prováveis de serem encontradas no universo primitivo e, portanto, a distâncias maiores. Como as supernovas distantes do Tipo Ia são cruciais para o esforço de medir a evolução da energia escura, torna-se essencial identificar claramente as supernovas do Tipo Ia que não se encaixam no modelo de massa de Chandrasekhar. É fácil fazer isso com um Tipo Ia tão estranho quanto SNLS-03D3bb, mas nem todas as supernovas super-Chandrasekhar podem ser tão óbvias.
“Uma maneira de detectar supernovas super-Chandrasekhar é medindo a velocidade do ejeto e comparando-a com o brilho. Outra maneira é obter vários espectros à medida que a curva de luz evolui. Infelizmente, capturar espectros é a maior despesa em toda a busca por estudos sobre energia escura ”, diz Nugent. "Os projetistas desses experimentos terão que encontrar maneiras eficientes de eliminar as supernovas super-Chandrasekhar de suas amostras".
Modelando as variações
Em parte, na esperança de desenvolver uma maneira rápida e confiável de identificar as supernovas candidatas do Tipo Ia para pesquisas cosmológicas, Nugent e o co-autor Richard Ellis abordaram inicialmente Sullivan e outros membros do SNLS, com sua grande base de dados de supernovas. Trabalhando no centro de computação científica da National Energy Research (NERSC), sediado no Berkeley Lab, Nugent desenvolveu um algoritmo que poderia pegar um punhado de pontos de dados fotométricos no início da evolução de uma supernova candidata, identificá-lo positivamente como um tipo Ia e prever com precisão seu tempo de brilho máximo.
Um dos primeiros Tipo Ia estudados dessa maneira acabou sendo o próprio SNLS-03D3bb. “Tinha uma relação sinal-ruído tão alta, devido ao seu desvio para o vermelho, que deveríamos suspeitar desde o início que seria uma supernova incomum”, diz Nugent.
Nugent considera a descoberta da primeira supernova super-Chandrasekhar demonstrável como uma perspectiva empolgante: “Pela primeira vez desde 1993” - quando a relação brilho versus forma da curva de luz foi desenvolvida - “agora temos uma forte direção para procurar a próxima parâmetro que descreve o brilho de uma supernova do tipo Ia. Essa busca pode nos levar a uma compreensão muito melhor de seus progenitores e à sistemática de usá-los como sondas cosmológicas. ”
Esse entendimento é um dos principais objetivos do Consórcio Astrofísico Computacional, liderado por Stan Woosley, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, e apoiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia através do programa SciDAC (Scientific Discovery Through Advanced Computing), com Nugent e John Bell, da Divisão de Pesquisa em Computação e NERSC, entre os principais parceiros.
"O modelo de colapso estelar de Chandrasekhar, em 1931, era elegante e poderoso; ganhou o Prêmio Nobel ”, diz Nugent. “Mas era um modelo unidimensional simples. Apenas adicionando rotação, pode-se exceder a massa de Chandrasekhar, como ele próprio reconheceu. ”
Agora, com os modelos 2D e 3D das supernovas, agora é possível usar supercomputadores, diz Nugent, é possível estudar uma gama mais ampla de possibilidades da natureza. "Esse é o objetivo do nosso projeto SciDAC, obter os melhores modelos e os melhores dados observacionais e combiná-los para empurrar toda a bola de cera. No final deste projeto, saberemos o máximo que pudermos sobre todos os tipos de supernovas do tipo Ia ".
“Uma supernova tipo Ia de uma estrela anã branca em massa Super-Chandrasekhar”, de D. Andrew Howell, Mark Sullivan, Peter E. Nugent, Richard S. Ellis, Alexander J. Conley, Damien Le Borgne, Raymond G. Carlberg, Julien Guy, David Balam, Stephane Basa, Dominique Fouchez, Isobel M. Hook, Eric Y. Hsiao, James D. Neill, Reynald Pain, Kathryn M. Perret e Christopher J. Pritchett, aparecem na edição de 21 de setembro da Nature and está disponível online para assinantes.
O Berkeley Lab é um laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA localizado em Berkeley, Califórnia. Conduz pesquisas científicas não classificadas e é gerenciado pela Universidade da Califórnia. Visite nosso site em http://www.lbl.gov.
Fonte original: LBL News Release
