Fermi avista a fonte de energia das supernovas superluminosas

Uma equipa internacional que estuda dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi concluiu que a missão detetou uma supernova rara e invulgarmente luminosa. Os investigadores afirmam que esta provavelmente obteve a sua energia de uma estrela de neutrões supermagnetizada, nascida do colapso estelar que desencadeou a explosão.

A missão Fermi faz parte da frota de observatórios da NASA que monitoriza as mudanças no cosmos para ajudar a humanidade a compreender melhor como o Universo funciona.

“Durante quase 20 anos, os astrónomos têm procurado nos dados do Fermi sinais de raios gama provenientes de milhares de supernovas e, embora tenham sido relatadas algumas pistas intrigantes, nenhuma era definitiva até agora”, afirmou o líder do estudo, Fabio Acero, do CNRS (Centre national de la recherche scientifique), França, e da Universidade de Paris-Saclay.

O artigo científico que descreve as descobertas foi publicado quarta-feira na revista Astronomy & Astrophysics.

As supernovas de colapso do núcleo ocorrem quando o centro produtor de energia de uma estrela com uma massa muitas vezes superior à do nosso Sol fica sem combustível, colapsa sob o seu próprio peso e explode. Durante o colapso, pode formar-se uma estrela de neutrões do tamanho de uma cidade ou um buraco negro ainda mais pequeno. Uma onda de choque expulsa o resto da estrela, que se expande rapidamente como uma nuvem quente e densa de gás ionizado.

Nas últimas duas décadas, foram identificadas cerca de 400 excecionais supernovas de colapso do núcleo. Cada um destes eventos, denominados supernovas superluminosas, produziu 10 ou mais vezes a quantidade de luz visível normalmente observada.

Em 2024, um estudo liderado por Li Shang na Universidade de Anhui, em Hefei, China, observou que o LAT (Large Area Telescope) do Fermi pode ter detetado raios gama – a forma mais energética de luz – provenientes de uma supernova superluminosa que ocorreu anos antes.

Denominada SN 2017egm, esta explosão superpotente ocorreu na galáxia NGC 3191, localizada a cerca de 440 milhões de anos-luz de distância na direção da constelação da Ursa Maior. Mesmo a esta distância, a explosão continua a ser uma das mais próximas do seu tipo.

“Procurámos raios gama provenientes das seis supernovas superluminosas mais próximas observadas durante os primeiros 16 anos da missão do Fermi”, afirmou Guillem Martí-Devesa, investigador anteriormente na Universidade de Trieste, em Itália, e agora bolseiro no Instituto de Ciências Espaciais, em Barcelona, Espanha. “Apenas SN 2017egm apresenta indícios de raios gama, confirmando sugestões anteriores de que algumas supernovas podem ser tão luminosas em raios gama como o são no visível. Isto abre uma nova janela para o estudo destes eventos fascinantes”.

Os teóricos têm debatido as possíveis fontes de energia que conferem a estas explosões a sua força adicional. No topo da lista está a formação de um magnetar, um tipo de estrela de neutrões com os campos magnéticos mais intensos que se conhecem – até 1000 vezes a intensidade das estrelas de neutrões típicas. É 10 biliões de vezes mais forte do que um típico íman que se coloca num frigorífico.

A equipa realizou uma análise mais aprofundada das características óticas e de raios gama observadas na supernova para comparar a capacidade de diferentes modelos teóricos em reproduzi-las. Um modelo desenvolvido pelos coautores Indrek Vurm, da Universidade de Tartu, na Estónia, e Brian Metzger, da Universidade de Columbia, em Nova Iorque, rastreou a forma como a luz e as partículas produzidas por um magnetar recém-formado se deslocariam para o exterior e interagiriam com os detritos em expansão da supernova.

Os cientistas esperam que um magnetar recém-formado gire algumas centenas de vezes por segundo. Esta rotação rápida produz um forte fluxo de eletrões e positrões, as suas contrapartes de antimatéria, que forma uma vasta nuvem de partículas energéticas.

Dentro desta nuvem – denominada nebulosa de vento de magnetar – várias interações alimentam a produção e a absorção de raios gama. Por exemplo, um eletrão e um positrão podem aniquilar-se, formando um par de fotões de raios gama, ou dois raios gama podem colidir e produzir as partículas. Desta e de outras formas, os raios gama interagem com os detritos da supernova. Incapazes de escapar diretamente, são reprocessados, convertidos em luz visível de menor energia, o que confere à supernova um aumento adicional de luminosidade.

“Cerca de três meses após o colapso, à medida que os detritos da supernova se expandem e arrefecem, os raios gama podem começar a escapar”, disse Acero. “Este modelo de magnetar reproduz melhor a luminosidade da supernova e o tempo de chegada dos seus raios gama durante os primeiros meses, mas vemos margem para melhorias em fases posteriores, quando a luz visível se desvanece de forma bastante irregular”.

Acero e os seus colegas sugerem que processos adicionais provavelmente desempenharam papéis importantes durante o longo desvanecimento de SN 2017egm. Estes incluem detritos a cair de volta sobre o magnetar e interações entre a onda de choque e a matéria ejetada pela estrela nos séculos anteriores ao seu colapso.

A equipa também analisou a capacidade de uma nova instalação terrestre de deteção de raios gama, o CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory), para detetar eventos como SN 2017egm. Segundo eles, com cerca de 50 horas de tempo de observação, seria possível detetar uma supernova semelhante a uma distância de cerca de 500 milhões de anos-luz. A nossa compreensão de fenómenos como SN 2017egm irá melhorar graças à cooperação entre essas instalações e a frota de observatórios espaciais da NASA que monitorizam mudanças rápidas no Universo.

“O mecanismo do motor central do magnetar discutido neste artigo científico baseia-se em muitos avanços observacionais e teóricos sobre magnetares ao longo dos últimos 20 anos”, afirmou Judy Racusin, cientista adjunta do projeto da missão Fermi no Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, EUA. “A observação de raios gama provenientes de supernovas irá proporcionar-nos uma nova forma de explorar o seu funcionamento interno”.

// NASA (comunicado de imprensa)
// Universidade do Estado do Louisiana (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)

Saiba mais:

Supernova superluminosa:
Wikipedia

Supernova:
Wikipedia

Magnetar:
Wikipedia

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi:
NASA
Wikipedia

CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory):
Página principal
Wikipedia