Felipe Ventura Vargas

Explosão de supernovas

O caso da supernova camaleão SN2014C
  • Supernovas são fenômenos astrofísicos que vêm sendo estudados há muitos anos. Representam o estágio final da evolução estelar de estrelas muito massivas e são uma importante ferramenta na compreensão de muitos eventos da astrofísica de altas energias.

    Inicialmente interpretadas erroneamente como novas estrelas devido ao surgimento de um ponto brilhante no céu onde antes não havia nada, as supernovas são na verdade a morte violenta de uma estrela: pode ser o colapso de estrelas massivas ou uma detonação nuclear induzida por uma estrela secundaria num sistema binário. O estudo do colapso estelar é um dos mais importantes dentro da astrofísica, por liberar energias enormes até para padrões astronômicos. Também, são os laboratórios perfeitos para astrofísicos analisarem diversos aspectos da natureza das estrelas.

    As supernovas são um dos poucos eventos naturais capazes de produzir elementos químicos mais pesados que o ferro, já que as reações nucleares que produzem tais elementos são endotérmicas e exigem grandes quantidades de energia que a estrela não consegue prover. Os colapsos estelares envolvem escalas tão grandes de energia que são capazes de produzir em torno de 1E58 neutrinos, ondas gravitacionais, remanescentes compactas como estrelas de nêutrons ou buracos negros estelares, e são os mecanismos responsáveis por algumas “Velas Padrão” da astronomia (SN Ia), objetos estudados para determinar distâncias cosmológicas.

    Figura 1: Uma ilustração do SN 1987A mostra como a estrela explodindo pode ter se parecido em uma posição muito mais próxima da Terra. Depois de 30 anos, esta supernova ainda está compartilhando segredos. O mundo inteiro se empolgou quando esta estrela próxima explodiu.

    A SN2014C é um caso importante da quebra do entendimento de classificação de supernovas aceito pela literatura astrofísica atual. Popularmente conhecida como “Supernova Camaleão”. Existem dois principais tipos de SNe: tipo I, sem linhas de hidrogênio e tipo II, com linhas de hidrogênio em seu espectro. A SN 2014c, que foi inicialmente classificada como tipo Ib, passa a ser classificada como tipo II depois de dias.

    A explicação mais plausível é que a estrela progenitora da SN2014C lançou uma camada de material no meio interestelar e posteriormente a onda de choque da explosão da SN interagiu com este material. O estudo deste evento é importante por dois motivos principais: primeiro, há uma mudança de classificação devido a esta interação, mostrando que o sistema de classificação atual, baseado apenas na distribuição espectral, pode nos levar a erros, já que o espectro da SN muda consideravelmente com o tempo, segundo, a camada expelida pela progenitora contém informação sobre a estrela, pois fazia parte dela ou do sistema que posteriormente gerou a SN.

    Figura 2: SN2014C em sua galáxia hospedeira, NGC 7331. Uma composição de imagens: a foto da galáxia é do Sloan Digital Sky Survey e a foto imagem da SN 2014c é em Raios-X e foi obtida pelo Chandra X-ray Observatory.

    O trabalho realizado na minha tese de mestrado consiste em duas partes principais: (i) simulações hidrodinâmicas da SN2014C, realizadas com o código numérico Mezcal (feito por meu co-orientador), que resolve as equações da hidrodinâmica clássica e relativística, em várias geometrias e com diferentes níveis de resolução; (ii) o cálculo numérico do transporte radiativo da radiação de Bremsstrahlung que surge a partir da interação entre onda de choque da SN com uma casca de simetria esférica que estava em torno da estrela progenitora. O código numérico utilizado neste caso foi desenvolvido por mim para este trabalho.

    Encontramos numericamente que as estimativas e suposições realizadas pelos astrônomos que fizeram as observações de SN2014C (Margutti et al. 2017), podem explicar o evento observado de maneira impressionante, mostrando que o entendimento atual da evolução estelar e também da classificação de supernovas precisa ser aprimorado. Segundo eles, o histórico de perda de massa estelar é algo mais complexo do que é apresentado pela literatura atual. Estrelas podem perder parte das camadas externas em períodos antes da explosão, fazendo com que a onda de choque interaja com tais regiões ejetadas posteriormente. Futuros trabalhos serão realizados para encontrar simulações mais coerentes com os dados observados. Estudos dos parâmetros livres serão feitos para compreender como o fluxo de rede é afetado pelas variações da distância da casca, perfil de densidade e massa.

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    Nucleossíntese Explosiva

    Fusão de estrelas de nêutrons
  • Pela primeira vez, os cientistas detectaram diretamente as ondas gravitacionais - ondulações no espaço-tempo - além da luz da espetacular colisão de duas estrelas de nêutrons. Isto marca a primeira vez que um evento cósmico foi visto tanto nas ondas gravitacionais quanto na luz. A descoberta foi feita utilizando o Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro Laser com base nos EUA (LIGO); o detector Virgo com base na Europa; e cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais. As estrelas de nêutrons são as menores e mais densas estrelas conhecidas e formadas quando estrelas massivas explodem em supernovas. Quando essas estrelas de nêutrons espiralaram juntas, emitiram ondas gravitacionais que foram detectadas por cerca de 100 segundos; quando colidiram, um raio de luz na forma de raios gama foi emitido e visto na Terra cerca de dois segundos após as ondas gravitacionais. Nos dias e semanas seguintes ao esmagamento, outras formas de luz, ou radiação eletromagnética - incluindo raios X, ultravioleta, óptico, infravermelho e ondas de rádio - foram detectadas.

    Por outro lado, a natureza dos elementos químicos sempre foi uma curiosidade humana. Há muito tempo alquimistas tentam formar ouro e manipular as leis naturais para criar e transformar o mundo em que vivemos. Estrelas, por sua vez, são as verdadeiras fábricas de elementos químicos da natureza! O universo em seu nascimento produziu apenas elementos leves como o hidrogênio. As estrelas foram responsáveis pela fusão de núcleos necessários para que a maioria dos elementos químicos fossem formados. No entanto, elementos pesados começam a exigir cada vez mais energia para surgir e nem mesmo estrelas conseguem formar tais elementos que encontramos na tabela periódica.

    GRBs (curto para Gamma Ray Bursts) são os fenômenos mais energéticos do universo. Embora tais eventos ocorram em distâncias cosmológicas e pareçam não ter nada a ver com nossas vidas, sua importância pode ir além do que imaginamos!

    Recentemente foi comprovado o que há muito já era considerado por astrofísicos, GRBs curtos - aqueles cuja duração é da ordem de segundos são causados por fusão de estrelas compactas como buracos negros ou estrelas de neutron. Tais fenômenos são tão violentos que podem ser responsáveis pela formação da maior parte dos elementos pesados da tabela periódica, contrariando as principais teorias de que tais elementos sejam formados, em sua maioria, no colapso de estrelas comuns. Considerando que em um passado muito distante estrelas compactas e GRBs deveriam ser bem mais frequentes, podemos dizer que o mundo como vemos hoje só foi possível devido a tais explosões. De uma certa forma somos todos filhos deste cosmos, somos essa poeira estelar organizada. Existe um Cosmos dentro de nós.

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