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 Farah, um estudante do quinto ano da UC Santa Barbara, notou algo completamente inesperado. A supernova parecia produzir um sinal estranho que se acelerava com o tempo, que ele descreveu como um “chirp”.
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 altamente incomum. A equipe incluiu 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 às consequências de explosões estelares massivas, os investigadores foram capazes de explicar os estranhos sinais observados neste evento invulgarmente brilhante.
O mistério por trás do aumento do brilho das supernovas
Quando uma estrela massiva esgota o seu combustível nuclear, o seu núcleo entra em colapso e desencadeia uma violenta explosão chamada supernova. A maioria das supernovas segue um padrão bastante suave, aumentando gradualmente de brilho e depois desaparecendo lentamente. Mesmo uma supernova típica pode dominar temporariamente uma galáxia inteira.
No entanto, os astrónomos descobriram recentemente um grupo raro chamado supernovas superluminosas, que são 10 a 100 vezes mais brilhantes que as supernovas normais. Os cientistas ainda não compreendem completamente o que impulsiona estas explosões extremas. Muitos deles mostram flutuações intrigantes no brilho, breves aumentos na luz que interrompem curvas suaves esperadas e sugerem processos complexos que se desenrolam dentro dos fragmentos em expansão.
Os pesquisadores propuseram várias explicações para esses picos de brilho. Uma possibilidade é que a fonte de energia estivesse no centro da explosão. Neste caso, o colapso da estrela formou uma estrela de nêutrons, um remanescente extremamente denso que injetou energia nos detritos circundantes e aumentou o brilho da supernova. Outra ideia sugere 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 aumentar temporariamente a luz proveniente do material expandido.
Sinais estranhos de supernovas distantes
Os cientistas do LCO monitoram de perto o SN 2024afav, que fica a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância da Terra. Durante as suas observações, notaram uma série de flutuações repetidas no brilho da supernova.
Farah percebeu que o padrão era estruturado demais para ser explicado por interações aleatórias. Essas mudanças seguem um ritmo suave e ondulatório, e o tempo entre cada onda está diminuindo rapidamente. Isso significa que os sinais estão aparecendo cada vez com mais frequência.
Pela primeira vez, os astrônomos observaram que uma supernova produz um sinal quase periódico com frequência crescente, formando um “chirp”. Este fenómeno é semelhante ao sinal detectado nas ondas gravitacionais quando dois buracos negros espiralam juntos.
“Nenhum modelo existente poderia explicar o padrão de solavancos que se torna mais rápido com o tempo”, disse Farah. “Comecei a pensar em como isso poderia estar acontecendo porque o sinal parecia muito estruturado para ser o resultado de interações aleatórias”.
magnetar 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 Gary Horowitz na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara.
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 incomumente forte. Nos modelos atuais, os magnetares podem atuar como uma fonte de energia para alimentar uma supernova, tornando-a invulgarmente brilhante e moldando a sua curva de luz geral.
Mas os modelos existentes de magnetar não conseguem explicar os repetidos solavancos. Essas flutuações podem ser causadas por interações com o gás circundante ou por irregularidades na produção de energia do magnetar.
Farah propôs um mecanismo diferente. No seu modelo, parte do material explodido cai de volta no magnetar e forma um disco de acreção inclinado. Devido a um efeito relativístico geral conhecido como precessão de lente-Teering, o magnetar em rotação deforma 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 do magnetar. Isso faz com que o sistema se comporte como um farol cósmico brilhante. À medida que o disco se move gradualmente em direção ao magnetar, sua velocidade de oscilação aumenta. O resultado é uma aceleração dos pulsos de luz detectados na Terra, produzindo um “chilro” único.
Testando explicações relativísticas
A precessão do Lens-Tiering não é o único processo que pode fazer com que os discos oscilem. Para testar a sua explicação, Farah e colegas trabalharam com o teórico Logan Proust, antigo pós-doutorando no Instituto Kavli de Física Teórica da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, para examinar várias outras possibilidades.
O SN 2024afav provou ser um laboratório poderoso para testar essas ideias, uma vez que qualquer modelo deve corresponder ao período do sinal e à taxa com que o período muda.
“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelo campo magnético do magnetar, mas apenas a precessão de Lense-Thirring correspondeu perfeitamente ao tempo”, explica Farah. “Esta é a primeira vez que a relatividade geral é invocada para descrever a mecânica das supernovas.”
Esforços Telescópicos Globais
A captura desta descoberta exigiu a rápida coordenação de uma rede global de telescópios. A pesquisa ATLAS detectou pela primeira vez o flash inicial da explosão em dezembro de 2024. Os observatórios da rede do Observatório Las Cumbres 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 ajustaram a sua estratégia de observação em tempo real para garantir que mesmo as menores flutuações no brilho fossem registradas.
“Esta é uma grande vitória para a LCO”, disse Farah. “Os dados LCO brutos e de alta cadência exclusivos nos permitem prever solavancos futuros, e a capacidade de ajustar dinamicamente a atividade nos permite verificar nossas previsões em tempo real. Quando as previsões começam a se tornar realidade, sabemos que estamos assistindo a algo especial.”
Este estudo representa um avanço significativo por dois motivos. Primeiro, identifica o primeiro exemplo conhecido de um “chirp” numa supernova, revelando um novo tipo de comportamento observável em explosões estelares. Em segundo lugar, fornece a evidência mais clara até à data de que os magnetares alimentam supernovas superluminosas, transformando uma explicação teórica num mecanismo comprovado.
Olhando para as descobertas
Farah defenderá seu doutorado. completou sua tese na UC Santa Barbara em maio passado 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 Carson, o cientista que originalmente propôs o modelo de supernova movido por magnetar.
Andy Howell, conselheiro de Farah, enfatizou a importância da descoberta.
“Há cerca de 20 anos, estive envolvido na descoberta de supernovas superluminosas e, no início, não tínhamos ideia do que eram. Depois foi desenvolvido o modelo magnetar, que parecia explicar a incrível energia necessária, mas não os solavancos.
“Agora, acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, continuou Howell. “Ele conectou a colisão ao modelo magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica: a relatividade geral. É muito elegante.”
Farah acredita que os astrônomos descobrirão em breve mais dessas supernovas “gritantes”. O próximo Observatório Vera C. Rubin, no Chile, iniciará em breve pesquisas sem precedentes do céu noturno, produzindo aproximadamente 10 terabytes de dados todas as noites durante o programa de uma década.
“Esta é a coisa mais emocionante da qual já tive o privilégio de fazer parte. Esta é a ciência com a qual sonhei quando criança”, disse Farah. “Este é o universo gritando na nossa cara que ainda não o entendemos completamente e nos desafiando a explicá-lo.”
