Buraco negro desencadeia explosão prematura de supernova – primeira observação de um tipo inteiramente novo de supernova

Esta ilustração mostra uma estrela massiva prestes a explodir. A explosão foi desencadeada depois que sua companheira, uma estrela morta (um buraco negro ou estrela de nêutrons) caiu no núcleo da estrela. Os cientistas dizem que o buraco negro ou estrela de nêutrons colidiu com a estrela massiva e, ao viajar para o interior ao longo dos séculos, ejetou um vórtice de material da atmosfera da estrela (na imagem ao redor da estrela). Quando atingiu o núcleo da estrela, o material do núcleo rapidamente caiu sobre o cadáver da estrela, liberando um par de jatos quase na velocidade da luz. Na representação deste artista, jatos são mostrados em um túnel através da estrela, logo para detonar uma explosão de supernova. Depois de alguns anos, a supernova destruirá a maior parte da espiral ejetada, que se estende por cerca de 10.000 vezes o tamanho da estrela. Isso criará uma fonte de rádio luminosa transitória que é observada por uma matriz muito grande. Crédito: Chuck Carter

Os teóricos previram a primeira observação de um tipo inteiramente novo de supernova, mas isso não foi confirmado antes.

Em 2017, uma fonte luminosa e incomum de ondas de rádio foi descoberta em dados capturados pelo Very Large Array Sky Survey (VLA), um projeto que varre o céu noturno com comprimentos de onda de rádio. Agora, liderado pelo estudante de graduação da Caltech Dillon Dong (MS ’18), uma equipe de astrônomos determinou que o brilho do rádio foi causado por Buraco negro ou Estrêla de Neutróns Ela colide com sua estrela companheira em um processo sem precedentes.

“Estrelas massivas geralmente explodem como supernovas quando seu combustível nuclear acaba”, diz Greg Hallinan, professor de astronomia da Caltech. “Mas, neste caso, um buraco negro gasoso ou estrela de nêutrons causou a explosão prematura de sua estrela companheira.” Esta é a primeira vez que uma explosão de supernova causada por uma fusão foi confirmada.

Um artigo sobre os resultados foi publicado na revista. Ciência Em 3 de setembro de 2021.

Brilha forte no céu noturno

Hallinan e sua equipe procuram os chamados transientes de rádio – fontes de ondas de rádio de curta duração que brilham intensamente e queimam rapidamente como um fósforo em uma sala escura. Os transmissores de rádio são uma excelente maneira de identificar eventos astronômicos incomuns, como estrelas massivas explodindo e liberando jatos de energia ou fusões de estrelas de nêutrons.

Dillon Dong, com uma antena de rádio de 40 metros no Observatório de Rádio Owens Valley da Caltech ao fundo.

Enquanto Dong vasculhava o enorme conjunto de dados do VLA, ele escolheu uma fonte altamente luminosa de ondas de rádio da pesquisa VLA chamada VT 1210 + 4956. Esta fonte está associada ao transiente de rádio mais brilhante associado a uma supernova.

Dong determinou que a brilhante energia de rádio era originalmente uma estrela cercada por uma crosta de gás espessa e densa. Esta concha gasosa foi expelida da estrela algumas centenas de anos antes dos dias atuais. VT 1210 + 4956, Radio Transient, ocorreu quando a estrela finalmente explodiu em uma supernova e o material liberado da explosão interagiu com o envelope de gás. No entanto, o próprio projétil de gás e a linha do tempo em que foi lançado a partir da estrela eram incomuns, então Dong suspeitou que poderia haver mais na história dessa explosão.

Dois eventos incomuns

Após a descoberta de Dong, a estudante de graduação do Caltech Anna Ho (PhD ’20) sugeriu que esse trânsito de rádio fosse comparado a um índice diferente de eventos breves de brilho no espectro de raios-X. Alguns eventos de raios-X tiveram vida tão curta que só existiram no céu por alguns segundos do tempo da Terra. Ao examinar este outro catálogo, Dong descobriu uma fonte de raios-X que se originou no mesmo ponto no céu que VT 1210 + 4956. Por meio de uma análise cuidadosa, Dong provou que os raios-X e as ondas de rádio eram provavelmente do mesmo evento.

Greg Hallinan

“Os raios-X transitórios foram um evento incomum – eles indicaram o lançamento de um jato relativístico no momento da explosão”, disse Dong. O brilho radioluminescente indicou que o material daquela explosão mais tarde colidiu com um enorme anel de gás denso que havia sido expelido da estrela séculos atrás. Esses dois eventos não foram ligados um ao outro e são muito raros por conta própria. ”

resolver quebra-cabeças

então o que aconteceu? Após uma modelagem cuidadosa, a equipe identificou a explicação mais provável – um evento envolvendo alguns jogadores cósmicos conhecidos por gerar ondas gravitacionais.

Eles especularam que um remanescente compacto de uma estrela previamente explodida – um buraco negro ou estrela de nêutrons – logo orbitaria uma estrela. Com o tempo, o buraco negro começou a puxar a atmosfera de sua estrela companheira e dispará-la para o espaço, formando o toro gasoso. Esse processo aproximou os dois objetos cada vez mais, até que o buraco negro mergulhou na estrela, fazendo com que ela entrasse em colapso e explodisse como uma supernova.

Os raios X foram produzidos por um jato que foi disparado do núcleo da estrela no momento em que entrou em colapso. Em contraste, ondas de rádio foram produzidas anos depois, quando a estrela em explosão atingiu o toro do gás expelido pelo corpo comprimido em ascensão.

Os astrônomos sabem que uma estrela massiva e um objeto compacto que a acompanha podem formar uma chamada órbita estável, na qual os dois objetos gradualmente se aproximam cada vez mais ao longo de um período de tempo extremamente longo. Este processo forma um sistema binário que é estável por milhões a bilhões de anos, mas acabará por colidir e emitir o tipo de ondas gravitacionais detectadas por Lego em um 2015 e 2017.

No entanto, no caso do VT 1210 + 4956, os dois objetos colidiram instantânea e catastroficamente, resultando em uma explosão de raios-X e das ondas de rádio observadas. Embora colisões como essas fossem teoricamente previstas, VT 1210 + 4956 fornece a primeira evidência concreta de que isso aconteça.

Pesquisa de coincidência

O VLA Sky Survey produz grandes quantidades de dados sobre sinais de rádio do céu noturno, mas vasculhar esses dados para descobrir um evento interessante e brilhante como VT 1210 + 4956 é como encontrar uma agulha em um palheiro. Dong diz que encontrar essa agulha em particular foi, de certa forma, uma coincidência.

“Tínhamos ideias do que poderíamos encontrar na pesquisa VLA, mas estávamos abertos à possibilidade de encontrar coisas que não esperávamos”, explica Dong. “Criamos as condições para descobrir algo interessante fazendo pesquisas vagamente restritas e abertas de grandes conjuntos de dados e, em seguida, levando em consideração todas as pistas contextuais que podemos reunir sobre os objetos que encontramos. Durante este processo, você se vê puxado em diferentes direções por diferentes interpretações, e você simplesmente deixa a natureza lhe dizer o que está lá fora. “

O artigo foi intitulado “Transient Radio Source Corresponding to a Fusion Supernova”. Dillon Dong é o primeiro autor. Além de Hallinan e Hu, co-autores adicionais são Ehud Nakar, Andrew Hughes, Kenta Hotukizaka, Steve Myers (PhD 90), Keshalai Dee (MS ’18, PHD ’21), Kunal Moli (PhD 15), Vikram Ravi, Asaf Horesh, Mansi Kesliwal (MS ’07, Ph.D. ’11) e Shree Kulkarni. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation, a US-Israel Bilateral Science Foundation, o Programa I-Core do Comitê de Planejamento e Orçamento e a Israel Science Foundation, o Conselho de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá, o Miller Institute for Basic Research in Ciência na UC Berkeley e na Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência, no Programa de Primeiros Cientistas Profissionais, no Observatório Nacional de Radioastronomia e na Fundação Heising-Simons.