O que acontece quando uma estrela morre?:chat betnacional

Elas representam a fase final habitual da vidachat betnacionalestrelas com tamanhos que variam da metade até oito vezes a massa do Sol. Já as estrelas com massa maior têm um fim muito mais violento — uma explosão conhecida como supernova.

As nebulosas planetárias têm uma variedade extraordináriachat betnacionalformas, como sugerem seus nomes — o Caranguejo do Sul, o Olhochat betnacionalGato e a Borboleta, por exemplo.

Mas, por mais bonitas que sejam, elas também são um mistério para os astrônomos. Como pode surgir uma borboleta cósmica do casulo redondo aparentemente indefinidochat betnacionaluma estrela gigante vermelha?

Observações e modelos criados por computador estão agora indicando uma explicação que teria parecido extravagante 30 anos atrás: a maioria das gigantes vermelhas tem uma estrela secundária muito menor, escondida no seu campo gravitacional.

Esta segunda estrela molda a transformação da estrela principalchat betnacionaluma nebulosa planetária, da mesma forma que um ceramista molda um vaso na rodachat betnacionaloleiro.

Acima, à esquerda, uma imagemchat betnacionalinfravermelho próximo mostra espetaculares anéischat betnacionalgás concêntricos na Nebulosa do Anel do Sul, uma nebulosa planetária que fica a cercachat betnacional2,5 mil anos-luzchat betnacionaldistância da Terra, na constelação da Vela. Os anéis contam a história das explosões da estrela que está morrendo.

À direita, uma imagemchat betnacionalinfravermelho médio distingue facilmente a estrela que está morrendo, no centro da nebulosa (em vermelho), dachat betnacionalestrela secundária (em azul). Todo o gás e poeira da nebulosa foi expelido pela estrela vermelha.

A teoria dominante sobre a formação das nebulosas planetárias envolvia anteriormente uma única estrela, a própria gigante vermelha. Com força gravitacional fraca nas suas camadas externas, ela perde massa com muita rapidez perto do final da vida — até 1% por século.

Ela também se agita como uma panelachat betnacionalágua fervente abaixo da superfície, fazendo com que as camadas externas pulsem para dentro e para fora. Os astrônomos apresentaram a teoriachat betnacionalque essas pulsações produzem ondaschat betnacionalchoque que lançam jatoschat betnacionalgás e poeira para o espaço, criando o chamado vento estelar.

Mas muita energia é necessária para expelir esse material completamente sem que ele caiachat betnacionalvolta sobre a estrela. Esse vento não pode ser uma brisa suave; precisa ter a forçachat betnacionalum jatochat betnacionalfoguete.

Depois do escape da camada externa da estrela, a camada interna, que é muito menor, entrachat betnacionalcolapso e se torna uma anã branca. Esta estrela, que é mais quente e brilhante que a gigante vermelha que a originou, ilumina e aquece o gás que escapou, até que ele comece a brilhar sozinho — e assim vemos uma nebulosa planetária.

Todo esse processo é muito rápido nos padrões astronômicos, embora lento para os padrões humanos. Normalmente, levachat betnacionalalguns séculos até milênios.

Até o lançamento do Telescópio Espacial Hubble,chat betnacional1990, "nós tínhamos bastante certezachat betnacionalque estávamos no caminho certo" para compreender este processo, segundo afirma o astrônomo Bruce Balick, da Universidadechat betnacionalWashington, nos Estados Unidos.

Balick e seu colega Adam Frank, da Universidadechat betnacionalRochesterchat betnacionalNova York, também nos EUA, compareceram a uma conferência na Áustria e viram as primeiras fotografiaschat betnacionalnebulosas planetárias tiradas pelo Hubble.

"Nós saímos para tomar café, vimos as imagens e sabíamos que o jogo havia mudado", relembra Balick.

Os astrônomos acreditavam que as gigantes vermelhas eram esfericamente simétricas e que estrelas redondas deveriam produzir nebulosas planetárias também redondas. Mas o que o Hubble viu não chegava nem perto disso.

"Ficou óbvio que muitas nebulosas planetárias têm estruturas axissimétricas exóticas", afirma o astrônomo Joel Kastner, do Institutochat betnacionalTecnologiachat betnacionalRochester, nos EUA.

O Hubble revelou lóbulos, asas e outras estruturas fantásticas que não eram redondas — mas, sim, simétricaschat betnacionalrelação ao eixo principal da nebulosa, como se girassem naquela rodachat betnacionaloleiro.

A imagem acima, captada pelo Telescópio Espacial Hubble, revela que a Nebulosa do Caranguejo do Sul não tem quatro patas, mas sim duas bolhas. O centro das bolhas revela dois jatoschat betnacionalgás com "nós" que podem se iluminar quando encontram o gás entre as estrelas. Localizado a milhareschat betnacionalanos-luz da Terra, na constelaçãochat betnacionalCentauro, o Caranguejo do Sul parece ter passado por dois eventoschat betnacionalliberaçãochat betnacionalgás. Um deles, há cercachat betnacional5,5 mil anos, criou uma ampulheta externa, enquanto um evento similar, 2,3 mil anos atrás, criou uma interna, muito menor.

Companheira oculta

Um artigochat betnacionalBalick e Frank publicadochat betnacional2002 pela revista científica Annual Review of Astronomy and Astrophysics documentou o debate existente na época sobre a origem dessas estruturas.

Alguns cientistas propunham que a simetria axial era derivada da formachat betnacionalrotação da estrela gigante vermelha ou do comportamento dos seus campos magnéticos, mas ambas as ideias não atendiam a alguns testes fundamentais. A rotação e os campos magnéticos devem enfraquecer com o crescimento da estrela, mas a velocidadechat betnacionalperdachat betnacionalmassa das gigantes vermelhas aumenta no fim da vida.

A outra hipótese era que a maior parte das nebulosas planetárias é formada não por uma estrela, mas por um parchat betnacionalestrelas — o que a astrônoma Orsola De Marco, da Universidade Macquariechat betnacionalSydney, na Austrália, chamouchat betnacional"hipótese binária".

Neste cenário, a segunda estrela é muito menor e milhareschat betnacionalvezes menos brilhante que a gigante vermelha. E pode estar à mesma distância entre Júpiter e o Sol. Isso permitiria que ela afetasse a gigante vermelha a uma distância suficiente para não ser engolida.

Existem também outras possibilidades, como uma órbita irregular, na qual a segunda estrela se aproximaria da gigante vermelhachat betnacionalintervaloschat betnacionalalgumas centenaschat betnacionalanos, retirando camadas da estrela principal.

De qualquer forma, a hipótese binária é uma ótima explicação para o primeiro estágio da metamorfosechat betnacionaluma estrela que está morrendo. Como a estrela secundária afasta os gases e a poeira da estrela primária, eles não são imediatamente sugados para a secundária — mas formam um discochat betnacionalmaterial rodopiante, conhecido como disco circunstelar, no plano orbital da secundária.

Esse disco circunstelar é a roda do oleiro.

Se o disco tiver um campo magnético, ele impulsionará todos os gases carregados para fora do plano do disco,chat betnacionaldireção ao eixochat betnacionalrotação. Mas, mesmo sem campo magnético, o material do disco impede o fluxo externochat betnacionalgases no plano orbital,chat betnacionalforma que o gás assumirá uma estrutura bilobular, com fluxo mais rápidochat betnacionaldireção aos polos.

E é exatamente isso que o Hubble viu nas suas imagenschat betnacionalnebulosas planetárias.

"Por que procurar uma explicação muito complicada se a estrela secundária é uma interpretação tão boa?", questiona De Marco.

Na imagem à esquerda, a Nebulosa do Jato Duplo, a 2,4 mil anos-luz da Terra, na constelaçãochat betnacionalSerpentário (Ophiuchus), tem formachat betnacionalampulheta, com dois jatoschat betnacionalgás movendo-se rapidamentechat betnacionaldireção aos polos. O gás provavelmente foi lançado pela estrela central há cercachat betnacional1,2 mil anos.

Na imagem à direita, a Nebulosa do Olhochat betnacionalGato, a 3,3 mil anos-luz da Terra, na constelação do Dragão, exibe 11 anéis concêntricoschat betnacionalpoeira, que os astrônomos estimam terem sido liberadoschat betnacionalintervaloschat betnacional1,5 mil anos. O processochat betnacionalformação da intrincada estrutura interna ainda é desconhecido.

Ver para crer

Mas a ideia das estrelas secundárias indetectáveis não foi bem recebida por alguns astrônomos.

A astrônoma Leen Decin, da Universidade Católicachat betnacionalLeuven, na Bélgica, conta que,chat betnacional2020, um famoso astrofísico disse a ela: "Sabe, Leen, tudo parece tão fantástico, as observações são tão fascinantes, os modeloschat betnacionalúltima geração atuais parecem fazer um trabalho muito bom para interpretar os dados, mas, no fundo, nós não deveríamos acreditar apenas no que realmente podemos ver?"

Ao longo dos últimos 10 a 15 anos, os ventos mudaramchat betnacionalforma consistente. Novos e inovadores telescópios revelaram que algumas gigantes vermelhas são rodeadas por estruturaschat betnacionalespiral e discos circunstelares anteschat betnacionalse tornarem nebulosas planetárias — exatamente como seria esperado se houvesse uma segunda estrela puxando material para fora da gigante vermelha.

E há dois casoschat betnacionalque os astrônomos talvez tenham até identificado a própria estrela secundária.

Decin e seus colegas basearam seu trabalho no telescópio Alma (siglachat betnacionalinglês para Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), no Chile, que começou a operarchat betnacional2011. O Alma consistechat betnacional66 radiotelescópios que trabalham juntos para produzir imagenschat betnacionalobjetos astronômicos.

"Ele fornece resolução espacial e espectral que são importantes para compreender a dinâmica e a velocidade", explica Decin.

A velocidade é uma parte importante do quebra-cabeça para que os cientistas mapeiem os ventos estelares e os discos circunstelares.

Acima, os nomes das estrelas estão no canto superior esquerdochat betnacionalcada imagem. Os ventos que sopram para fora das estrelas criam uma sériechat betnacionalestruturas, como discos, espirais e "rosas", consistentes com a teoriachat betnacionalque a estrela gigante vermelha tem uma estrela secundária emchat betnacionalórbita. A cor vermelha indica gases se movendo para longe do observador, enquanto azul indica gases que se movemchat betnacionaldireção ao observador. 1 UA é uma unidade astronômica, ou a distância entre a Terra e o Sol. Comparativamente, Netuno está a 30 unidades astronômicas do Sol. As estrelas secundárias provavelmente ficam mais perto das suas estrelas primárias do que o Solchat betnacionalNetuno. Elas não são visíveis devido ao brilho da estrela primária.

O ato final

O Alma já observou estruturaschat betnacionalespiral ouchat betnacionalformachat betnacionalarcochat betnacionalvoltachat betnacionalmaischat betnacionaluma dúziachat betnacionalestrelas gigantes vermelhas, quase certamente um sinalchat betnacionalque existe matéria saindo da gigante vermelha e espiralizandochat betnacionaldireção à secundária. Essas espirais basicamente coincidem com as simulações criadas por computador — e é impossível explicá-las com o antigo modelochat betnacionalvento estelar.

Decin relatou as descobertas iniciaischat betnacional2020 na revista Science — e as expandiu no ano seguinte, na Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

Além disso, a equipechat betnacionalDecin também pode ter identificado as secundárias outrora não detectáveischat betnacionalduas gigantes vermelhas, p1 Gruis e L2 Puppis,chat betnacionalimagens do Alma. Para ter certeza, eles precisam monitorá-las ao longochat betnacionalum períodochat betnacionaltempo, para ver se os objetos recém-detectados estão se movendochat betnacionaltorno da estrela primária.

"Se eles se moverem, estou certachat betnacionalque temos secundárias", afirma Decin.

E talvez esta descoberta convença os últimos céticos.

Assistir ao vivo

Como investigaçõeschat betnacionalcenaschat betnacionalcrimes, os astrônomos agora têm as imagenschat betnacional"antes" e "depois" da criaçãochat betnacionaluma nebulosa planetária. A única coisa que falta é o equivalente às imagens das câmeras do circuito internochat betnacionalsegurança do eventochat betnacionalsi.

Existe alguma esperançachat betnacionalque os astrônomos possam flagrar uma gigante vermelha no momentochat betnacionalque ela se torna uma nebulosa planetária?

Até o momento, os modelos computadorizados são a única formachat betnacional"assistir" ao desdobramento do processo, que dura centenaschat betnacionalanos, do início ao fim. Eles ajudaram os astrônomos a se concentrarchat betnacionalum cenário dramático, no qual a estrela secundária submerge na primária após um período prolongado orbitando e perde distância devido às forças gravitacionais.

À medida que se espiralizachat betnacionaldireção ao núcleo da gigante vermelha, a estrela secundária perde "uma imensa quantidadechat betnacionalenergia gravitacional", diz Frank.

Os modelos computadorizados demonstram que isso acelera enormemente o processo por meio do qual a estrela lança suas camadas externas, reduzindo-o a apenaschat betnacionalum a 10 anos. Se isso estiver certo e os astrônomos souberem para onde olhar, eles podem presenciar a mortechat betnacionaluma estrela e o nascimentochat betnacionaluma nebulosa planetáriachat betnacionaltempo real.

Uma candidata que merece ser observada é a estrela V Hydrae. Esta gigante vermelha é muito ativa e ejeta jatoschat betnacionalplasma como se fossem muniçãochat betnacionaldireção aos polos a cada 8,5 anos. Ela também expeliu seis grandes anéis no seu plano equatorial ao longo dos últimos 2,1 mil anos.

O astrônomo Raghvendra Sahai, do Laboratóriochat betnacionalPropulsão a Jato da Nasa — que publicou a descoberta dos anéischat betnacionalabrilchat betnacional2022 —, acredita que a gigante vermelha possui não uma, mas duas estrelas secundárias.

Uma estrela secundária próxima pode já estar beirando o "envelope" circunstelar da gigante vermelha e produzindo as ejeçõeschat betnacionalplasma, enquanto uma secundária distantechat betnacionalórbita irregular controla a ejeção dos anéis. Se for este o caso, a V Hydrae pode estar pertochat betnacionalengolirchat betnacionalestrela secundária mais próxima.

Por fim, e o nosso Sol?

Os estudos sobre estrelas binárias podem parecer ter pouca relevância para o destino da nossa estrela porque ela é solitária. Decin estima que as estrelas que têm companheiras perdem massa cercachat betnacionalseis a 10 vezes mais rápido do que as solitárias, porque é muito mais eficiente uma estrela secundária atrair a coberturachat betnacionaluma gigante vermelha do que a própria gigante vermelha lançarchat betnacionalcobertura.

Isso significa que os dados sobre os sistemas estelares não podem prever com segurança o destinochat betnacionalestrelas solitárias, como o Sol.

Cerca da metade das estrelas do tamanho do Sol têm estrelas secundáriaschat betnacionalalgum tipo. Segundo Decin, a secundária sempre afetará a forma do vento estelar, alterando significativamente a velocidadechat betnacionalperdachat betnacionalmassa se estiver suficientemente próxima.

O Sol, muito provavelmente, irá lançarchat betnacionalcamada externa mais lentamente do que aquelas estrelas e permanecerá nachat betnacionalfasechat betnacionalgigante vermelha por muito mais tempo.

Mas ainda há muitos fatos desconhecidos sobre o ato final do Sol. Mesmo que Júpiter não seja uma estrela, por exemplo, ele ainda pode ser suficientemente forte para atrair material do Sol e criar um disco circunstelar.

"Acho que teremos uma espiral muito pequena, criada por Júpiter", afirma Decin.

"Mesmo nas nossas simulações, você pode ver seu impacto sobre o vento solar."

Se for este o caso, o nosso Sol também poderá estar a caminhochat betnacionalum grand finale espetacular.

* Dana Mackenzie é matemática e jornalista freelancer especializadachat betnacionalciências.

Este artigo foi publicado originalmente na revista jornalística independente Knowable, da editora americana Annual Reviews, e republicado pelo site BBC Future sob uma licença Creative Commons.

chat betnacional Leia a versão original chat betnacional (em inglês) no site BBC Future.

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