Supernova com canto peculiar valida teoria de magnetar discutida por muito tempo.

Em um novo estudo aceito pela revista Nature, Farah e uma equipe internacional de pesquisadores relatam a descoberta de uma supernova superlumosa (SN 2024afav) com um comportamento altamente incomum. O grupo inclui o conselheiro de Farah, Andy Howell, que lidera a equipe de pesquisa sobre supernovas no Observatório Las Cumbres (LCO). Ao aplicar ideias da relatividade geral às consequências da explosão de uma estrela massiva, os pesquisadores conseguiram explicar os sinais estranhos vistos neste evento extraordinariamente brilhante.

A Mistério por Trás dos Aumentos de Brilho das Supernovas

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

No entanto, os astrônomos identificaram recentemente um grupo raro conhecido como supernovas superlumosas que brilham de 10 a 100 vezes mais do que as normais. Os cientistas ainda não compreendem totalmente o que alimenta essas explosões extremas. Muitas delas exibem flutuações de brilho intrigantes, breves aumentos de luz que interrompem a curva suave esperada e sugerem que processos complexos estão se desenrolando nos escombros em expansão.

Os pesquisadores propuseram várias explicações para esses aumentos de brilho. Uma possibilidade é que a fonte de energia esteja no centro da explosão. Nesse cenário, o colapso da estrela forma uma estrela de nêutrons, um remanescente incrivelmente denso que injeta energia nos escombros circundantes e aumenta o brilho da supernova. Outra ideia sugere que os picos de brilho ocorrem quando a onda de explosão colide com camadas densas de gás ao redor da estrela. Essas colisões poderiam intensificar temporariamente a luz proveniente do material em expansão.

Um Sinal Estranho de uma Supernova Distante

Cientistas do LCO monitoraram de perto a SN 2024afav, que está situada a cerca de um bilhão de anos-luz da Terra. Durante suas observações, notaram uma série de picos repetidos 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 ondulante, e o tempo entre cada pico estava diminuindo rapidamente. Isso significava que o sinal ocorria com mais frequência.

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

“Não havia nenhum modelo existente que pudesse explicar um padrão de picos que se torna mais rápido com o tempo”, disse Farah. “Comecei a pensar em maneiras de isso acontecer, porque o sinal parecia estruturado demais para ser devido a interações aleatórias.”

Uma Magnetar no Centro

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

Farah propôs que a supernova deixou para trás uma magnetar, um tipo de estrela de nêutrons que gira extremamente rápido e tem um campo magnético extraordinariamente poderoso. Nos modelos atuais, uma magnetar pode agir como uma fonte de energia que alimenta uma supernova, tornando-a excepcionalmente brilhante e moldando sua curva de luz geral.

Mas os modelos de magnetar existentes não podiam explicar os picos repetidos. Essas flutuações poderiam surgir de interações com o gás circundante ou de irregularidades na emissão de energia da magnetar.

Farah sugeriu um mecanismo diferente. Em seu modelo, parte do material explodido cai de volta em direção à magnetar e forma um disco de acreção inclinado. Devido a um efeito da relatividade geral conhecido como precessão de Lense-Thirring, a magnetar giratória torce o espaço-tempo ao redor, fazendo com que o disco oscile.

À medida que o disco precessa, ele bloqueia e reflete periodicamente a luz proveniente da magnetar. Isso faz com que o sistema se comporte como um farol cósmico intermitente. À medida que o disco se move gradualmente em direção à magnetar, sua oscilação acelera. O resultado são os pulsos acelerados de luz detectados da Terra, produzindo o distinto “chirp”.

Testando a Explicação da Relatividade

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

A SN 2024afav acabou se revelando um poderoso laboratório para testar essas ideias, pois qualquer modelo tinha que corresponder tanto ao período do sinal quanto à taxa de alteração desse período.

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

Um Esforço Global de Telescópios

Capturar a descoberta exigiu uma coordenação rápida em uma rede mundial de telescópios. O flash inicial da explosão foi detectado pela primeira vez em dezembro de 2024 pelo levantamento ATLAS. Observatórios da rede do Observatório Las Cumbres, com sede em Goleta, então acompanharam o evento por mais de 200 dias.

Durante esta campanha prolongada, os pesquisadores utilizaram toda a gama de instrumentos do LCO para monitorar a supernova de quase maneira contínua. Eles também ajustaram as estratégias de observação em tempo real para garantir que até as menores flutuações de brilho fossem registradas.

“Esta é uma grande vitória para o LCO”, disse Farah. “Os dados únicos, puros e de alta cadência do LCO nos permitiram prever futuros picos e a capacidade de ajustar dinamicamente a campanha em um instante nos permitiu verificar nossas previsões em tempo real. Quando as previsões começaram a se concretizar, sabíamos que estávamos assistindo a algo especial.”

O estudo representa um grande avanço por duas razões. Primeiro, ele identifica o primeiro exemplo conhecido de um “chirp” em uma supernova, revelando um novo tipo de comportamento observável em explosões estelares. Segundo, fornece a evidência mais clara até agora de que magnetars alimentam supernovas superlumosas, transformando o que havia sido uma explicação teórica em um mecanismo confirmado.

Olhando para Futuras Descobertas

Farah defenderá sua tese de doutorado na UCSB em maio e planeja continuar estudando esses fenômenos como um 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 alimentada por magnetar.

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

“Fui parte da descoberta das supernovas superlumosas há quase 20 anos, e no início não sabíamos o que eram. Então, o modelo de magnetar foi desenvolvido e parecia que poderia explicar as energias surpreendentes necessárias, mas não os picos.

“Agora, eu acho que Joseph encontrou a prova cabal,” continuou Howell, “e ele ligou os picos ao modelo de magnetar e explicou tudo com a teoria mais testada na astrofísica — a Relatividade Geral. É incrivelmente elegante.”

Farah acredita que os astrônomos em breve detectarão muitas mais dessas supernovas “chirpantes”. O próximo Observatório Vera C. Rubin no Chile começará 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 empolgante da qual já tive o privilégio de fazer parte. Esta é a ciência com a qual sonhei quando era criança,” disse Farah. “É o universo nos dizendo em voz alta e em nosso rosto que ainda não o compreendemos completamente, desafiando-nos a explicá-lo.”