Estranho chilrear de supernova confirma a há muito debatida teoria do magnetar

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. O grupo inclui 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 da explosão de uma estrela massiva, os investigadores foram capazes de explicar os estranhos sinais observados neste evento extraordinariamente brilhante.

O mistério por trás dos surtos de brilho das supernovas

Quando uma estrela massiva esgota o seu combustível nuclear, o seu núcleo entra em colapso e desencadeia uma explosão dramática conhecida como supernova. A maioria das supernovas segue um padrão bastante suave, iluminando-se gradualmente antes de desaparecer lentamente. Mesmo as supernovas típicas podem ofuscar galáxias inteiras por um tempo.

No entanto, os astrónomos identificaram recentemente um grupo raro conhecido como supernovas superluminosas que brilham 10 a 100 vezes mais que as normais. Os cientistas ainda não compreendem completamente o que alimenta estas explosões extremas. Muitos deles apresentam flutuações intrigantes no brilho, breves aumentos na luz que interrompem a curva suave esperada e sugerem que processos complexos estão se desenrolando dentro dos detritos em expansão.

Os pesquisadores propuseram várias explicações para esses picos de brilho. Uma possibilidade é que a fonte de energia esteja no centro da explosão. Neste cenário, o colapso da estrela forma uma estrela de neutrões, um remanescente incrivelmente denso que injeta energia nos detritos circundantes e aumenta o brilho da supernova. Outra ideia sugere que os picos de brilho ocorrem quando a onda de choque da explosão atinge densas camadas de gás que rodeiam a estrela. Estas colisões poderiam intensificar temporariamente a luz proveniente do material em expansão.

Um sinal estranho de uma supernova distante

Os cientistas do LCO monitoraram de perto o SN 2024afav, que fica a cerca de um bilhão de anos-luz da Terra. Durante as suas observações, notaram uma série de saliências repetidas no brilho da supernova.

Farah percebeu que o padrão era estruturado demais para ser explicado por interações aleatórias. As variações seguiam um ritmo suave e ondulatório, e o tempo entre cada solavanco diminuía rapidamente. Isso significava que o sinal estava ocorrendo com cada vez mais frequência.

Pela primeira vez, os astrônomos observaram uma supernova produzindo um sinal quase periódico que aumentava de frequência, formando um “chirp”. O fenômeno é semelhante aos sinais detectados nas ondas gravitacionais quando dois buracos negros espiralam juntos.

“Simplesmente não existia nenhum modelo que pudesse explicar um padrão de solavancos que se torna mais rápido com o tempo”, disse Farah. “Comecei a pensar em como isso poderia acontecer, porque o sinal parecia muito estruturado para ser devido a interações aleatórias”.

Um Magnetar no Centro

A ideia que finalmente explicou o sinal veio de uma fonte inesperada. Na época, Farah estava participando de um curso de Relatividade Geral ministrado pelo físico da UCSB Gary Horowitz.

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 extraordinariamente poderoso. Nos modelos atuais, um magnetar pode atuar como uma fonte de energia que fornece energia a uma supernova, tornando-a excepcionalmente brilhante e moldando a sua curva de luz geral.

Mas os modelos existentes de magnetar não conseguiam explicar os solavancos repetidos. Essas flutuações podem surgir de interações com o gás circundante ou de irregularidades na produção de energia do magnetar.

Farah sugeriu um mecanismo diferente. No seu modelo, parte do material explodido cai de volta em direção ao magnetar e forma um disco de acreção inclinado. Devido a um efeito da relatividade geral conhecido como precessão de Lense-Thirring, o magnetar giratório torce 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 vinda do magnetar. Isso faz com que o sistema se comporte como um farol cósmico piscante. À medida que o disco se move gradualmente para dentro em direção ao magnetar, sua oscilação acelera. O resultado são os pulsos acelerados de luz detectados na Terra, produzindo o característico “chilrear”.

Testando a explicação da relatividade

A precessão de Lense-Thirring não é o único processo que pode causar oscilação no disco. Para testar sua explicação, Farah e colegas trabalharam com o teórico Logan Prust (um ex-bolsista de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB) para examinar várias outras possibilidades.

O SN 2024afav revelou-se um laboratório poderoso para testar estas ideias porque qualquer modelo tinha de corresponder tanto ao período do sinal como à taxa à qual o período mudou.

“Testamos várias ideias, incluindo efeitos puramente newtonianos e precessão impulsionada pelos campos magnéticos do magnetar, mas apenas a precessão de Lense-Thirring correspondeu perfeitamente ao tempo”, explicou Farah. “É a primeira vez que a Relatividade Geral é invocada para descrever a mecânica de uma supernova.”

Um esforço global de telescópio

A captura da descoberta exigiu uma coordenação rápida através de uma rede mundial de telescópios. O flash inicial da explosão foi detectado pela primeira vez em dezembro de 2024 pela pesquisa ATLAS. Observatórios da rede de Observatórios Las Cumbres, com sede 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 a supernova quase continuamente. Eles também ajustaram estratégias de observação em tempo real para garantir que até mesmo as menores flutuações no brilho fossem registradas.

“Esta é uma grande vitória para a LCO”, disse Farah. “Os dados LCO excepcionalmente puros e de alta cadência nos permitiram prever solavancos futuros e a capacidade de ajustar dinamicamente a campanha rapidamente nos permitiu verificar nossas previsões em tempo real. Quando as previsões começaram a se tornar realidade, sabíamos que estávamos assistindo a algo especial.”

O estudo representa um grande avanço 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 de que os magnetares alimentam supernovas superluminosas, transformando o que tinha sido uma explicação teórica num mecanismo confirmado.

Olhando para futuras descobertas

Farah defenderá seu doutorado. tese na UCSB em maio deste ano 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 Kasen, o cientista que originalmente propôs o modelo de supernova movido a magnetar.

O conselheiro de Farah, Andy Howell, destacou a importância da descoberta.

“Participei na descoberta de supernovas superluminosas há quase 20 anos e, no início, não sabíamos o que eram. Depois, o modelo magnetar foi desenvolvido e parecia que poderia explicar as surpreendentes energias necessárias, mas não os solavancos.

“Agora, acho que Joseph encontrou a prova definitiva”, continuou Howell, “e relacionou as saliências ao modelo do magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada em astrofísica – a Relatividade Geral. É incrivelmente elegante.”

Farah acredita que os astrónomos irão em breve detectar muito mais destas supernovas “chilreantes”. O próximo Observatório Vera C. Rubin, no Chile, iniciará em breve um levantamento sem precedentes do céu noturno, gerando cerca de 10 terabytes de dados todas as noites durante um 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. “É o universo nos dizendo em voz alta e na nossa cara que ainda não o entendemos completamente, e nos desafiando a explicá-lo.”