“Impressões digitais” químicas revelam as histórias ocultas de estrelas massivas

Muitas estrelas massivas fizeram outrora parte de sistemas binários, mas o seu passado fascinante é frequentemente perdido – pelo menos era assim até agora. Um novo estudo realizado na Universidade de Bona e no Instituto Max Planck de Astrofísica descobriu agora um novo método de identificar estrelas que, no passado, ganharam massa de uma companheira – estrelas que agora aparecem como objetos isolados, mas que guardam as “cicatrizes” químicas da sua juventude binária. Recorrendo a uma “impressão digital química” única – independente de modelos evolutivos específicos -, os investigadores conseguiram reconstruir as histórias binárias de estrelas massivas. O método já reclassificou a estrela Gamma Columbae, amplamente estudada, como uma antiga recetora de massa – desafiando suposições de longa data sobre a sua origem – e forneceu novas informações sobre a progenitora da supernova SN 1987A. As descobertas foram agora publicadas na revista Nature Astronomy.

Mais de 70% das estrelas massivas nascem em sistemas binários íntimos, onde as forças gravitacionais e a transferência de massa entre companheiras alteram drasticamente a sua evolução. No entanto, assim que a interação termina – seja por transferência de massa, fusão ou pela explosão de supernova de uma das companheiras -, a estrela sobrevivente surge frequentemente como um objeto solitário, escondendo o seu passado turbulento. Durante décadas, os astrónomos têm-se esforçado por detetar estas histórias ocultas.

Agora, o novo estudo decifrou o enigma. A chave reside nas abundâncias superficiais de elementos como o carbono, o azoto, o oxigénio e o hélio. Quando uma estrela massiva acreta material da sua companheira, ingere matéria da estrela dadora tanto das suas imaculadas camadas exteriores como do seu núcleo, que foi processada por fusão nuclear – rica em azoto e hélio, e pobre em carbono e oxigénio. Este material mistura-se nas camadas externas da estrela recetora, deixando para trás uma assinatura química distinta. As estrelas que passaram por essa transferência de massa seguem um percurso único num “diagrama de abundância CNO” diagnóstico – um gráfico das proporções azoto/carbono e azoto/oxigénio. Ao passo que a maioria das estrelas se situa ao longo de uma única linha, as estrelas que ganham massa formam um ramo distinto, anteriormente não reconhecido, claramente separado de estrelas individuais e das dadoras de massa.

“Descobrimos que a química da superfície das estrelas massivas não é apenas um subproduto da sua evolução – é um registo da sua história”, explica Harim Jin, do Instituto Max Planck de Astrofísica, autora principal do estudo. “Pela primeira vez, podemos ler essa história em pormenor, mesmo quando as estrelas parecem estar sozinhas no céu”.

Esta “impressão digital química” é uma poderosa ferramenta forense. Os investigadores desenvolveram um quadro analítico simples e independente de modelos que permite aos astrónomos determinar a quantidade e a composição do material acretado com base exclusivamente nas abundâncias observadas na superfície. Isto permite-lhes reconstruir a configuração binária inicial: as massas das estrelas originais e a eficácia da transferência de massa.

“Este método dá-nos uma visão direta das vidas ocultas das estrelas”, acrescenta Jin. “É como encontrar uma impressão digital numa cena de crime – assim que se sabe o que procurar, é possível reconstruir toda a sequência de acontecimentos, mesmo que os suspeitos originais já tenham desaparecido há muito tempo”.

O método já produziu resultados surpreendentes. A estrela γ Columbae, há muito considerada uma rara estrela “despojada” que revelou o seu núcleo após perder as suas camadas exteriores, veio a ser uma antiga recetora de massa. A sua composição química superficial – elevada proporção azoto/carbono, proporção moderada azoto/oxigénio e enriquecida em hélio – corresponde à assinatura prevista de uma estrela que acretou matéria de uma companheira massiva. Esta reclassificação não só reformula a compreensão de Gamma Columbae, como também sugere que muitas estrelas anteriormente consideradas despojadas podem, na verdade, ser estrelas que ganharam massa.

As implicações vão muito além das estrelas individuais. O método pode ser aplicado a uma vasta gama de estrelas massivas, incluindo estrelas fugitivas, supergigantes e até mesmo progenitoras de supernovas. Oferece também uma nova forma de testar teorias acerca da evolução de sistemas binários, em particular a física ainda pouco compreendida da transferência de massa e da perda de momento angular. Ao compararem as “impressões digitais” químicas observadas com modelos teóricos, os astrónomos podem agora investigar diretamente a eficácia e a estabilidade da transferência de massa – incertezas de longa data na astrofísica estelar.

Além disso, a técnica estende-se às fusões estelares e foi aplicada à famosa supernova SN 1987A, cuja origem há muito se pensa ter resultado de uma fusão. “Podemos agora reconstruir com confiança as massas de ambas as estrelas antes da fusão”, explica o coautor Norbert Langer, da Universidade de Bona, “e demonstrar que uma quantidade significativa de massa foi ejetada durante o processo de fusão”.

Com os levantamentos em grande escala em curso, como o WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer) e o 4MOST (4-metre Multi-Object Spectroscopic Telescope), que se espera que forneçam dados precisos acerca de milhares de estrelas massivas, este novo método está prestes a transformar a nossa compreensão da evolução estelar. Transforma a superfície de uma estrela numa cápsula do tempo – revelando não só o seu estado atual, mas também a história dramática, e muitas vezes violenta, do seu passado binário.

// Universidade de Bona (comunicado de imprensa)
// Instituto Max Planck de Astrofísica (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)

Saiba mais:

Estrela binária:
Wikipedia

Evolução estelar:
Wikipedia

Gamma Columbae:
SimbadWikipedia

SN 1987A:
SEDS
Wikipedia