2942: Um flash e um tremor

CIÊNCIA

O tamanho atual do Sol (agora na sua sequência principal) em comparação com o tamanho estimado durante a sua fase de gigante vermelha no futuro. Crédito: Wikipedia

Daqui a aproximadamente cinco mil milhões de anos, quando o Sol esgotar o hidrogénio no seu núcleo, vai inchar e tornar-se numa gigante vermelha. Esta fase da sua vida – e a de outras estrelas com até o dobro da sua massa – é relativamente curta em comparação com a vida de mais de 10 mil milhões de anos do Sol. A gigante vermelha brilhará 1000 vezes mais do que o Sol e, de repente, o hélio nas profundezas do seu núcleo começará a fundir-se com o carbono num processo chamado “flash do núcleo de hélio”. Depois disto, a estrela terá 100 milhões de uma calma fusão de hélio.

Os astrofísicos há mais de 50 anos que preveem estes flashes na teoria e nos modelos, mas nenhum foi até agora observado. No entanto, um novo estudo publicado na revista Nature Astronomy Letters sugere que isso pode mudar em breve.

“Os efeitos do flash do núcleo de hélio são claramente previstos pelos modelos, mas não encontrámos observações que os reflitam directamente,” disse o co-autor Jørgen Christensen-Dalsgaard, académico do Instituto Kavli para Física Teórica da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, EUA, e professor da Universidade de Aarhus, na Dinamarca.

Uma estrela como o Sol é alimentada pela fusão de hidrogénio em hélio a temperaturas que rondam os 15 milhões Kelvin. O hélio, no entanto, requer uma temperatura muito mais alta do que o hidrogénio, por volta dos 100 milhões Kelvin, para começar a fundir-se em carbono, de modo que simplesmente se acumula no núcleo enquanto uma concha de hidrogénio continua a arder em seu redor. Entretanto, a estrela expande-se para um tamanho comparável à órbita da Terra. Eventualmente, o núcleo da estrela atinge as condições perfeitas, despoletando uma ignição violenta do hélio: o flash do núcleo de hélio. O núcleo sofre vários flashes ao longo dos 2 milhões de anos seguintes e, em seguida, estabelece-se num estado mais estático, onde passa a queimar todo o hélio no núcleo em carbono e oxigénio ao longo de mais ou menos 100 milhões de anos.

O flash do núcleo de hélio desempenha um papel essencial na nossa compreensão dos ciclos de vida de estrelas de baixa massa. Infelizmente, a recolha de dados dos núcleos de estrelas distantes é incrivelmente difícil, de modo que os cientistas ainda não conseguiram observar este fenómeno.

O poder dos telescópios espaciais modernos como o Kepler, CoRoT e agora o TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA promete mudar isto. “A disponibilidade de medições muito sensíveis a partir do espaço tornou possível a observação de oscilações subtis no brilho de um número muito grande de estrelas,” explicou Christensen-Dalsgaard.

O flash do núcleo de hélio produz uma série de ondas diferentes que se propagam através da estrela. Isto faz com que a estrela vibre como um sino, que se manifesta como uma fraca variação no seu brilho geral. As observações das pulsações estelares já ensinaram os astrónomos sobre os processos dentro das estrelas da mesma maneira que os geólogos aprendem sobre o interior da Terra estudando sismos. Esta técnica, conhecida como asteros-sismologia, cresceu para se tornar num campo próspero da astrofísica.

O flash do núcleo ocorre repentinamente e, como um sismo, começa com um evento muito energético seguido por uma série de eventos sucessivamente mais fracos ao longo dos 2 milhões de anos seguintes – um período relativamente curto na vida da maioria das estrelas. Como mostra um artigo publicado em 2012, liderado pelo director do Instituto Kavli para Física Teórica Lars Bildsten e pelo colega sénior Bill Paxton, as frequências das pulsações destas estrelas são muito sensíveis às condições no núcleo. Como resultado, a asteros-sismologia poderia fornecer aos cientistas informações que testam a nossa compreensão destes processos.

“Ficámos ansiosos pela altura em que estas novas capacidades espaciais nos possam confirmar esta peça há muito estudada da evolução estelar. No entanto, não considerámos a possibilidade ainda mais empolgante que estes autores exploraram de usar a estrela vigorosamente conectiva para realmente ver a estrela a ‘vibrar’,” disse Bildsten.

O principal objectivo do novo estudo foi determinar se estas regiões intermitentes podem excitar pulsações grandes o suficiente para serem observadas. E, após meses de análises e simulações, os investigadores descobriram que muitas devem ser relativamente fáceis de observar.

“Fiquei certamente surpreso ao ver que o mecanismo funciona tão bem,” salientou Christensen-Dalsgaard.

O novo e promissor ângulo detalhado no artigo científico é que os astrónomos têm estudado os processos de um tipo muito especial – e até agora não muito bem entendido – de estrela designado sub-anã B. Estas são antigas gigantes vermelhas que, por razões desconhecidas, perderam a maior parte da sua camada exterior de hidrogénio. As estrelas sub-anãs B fornecem aos cientistas uma oportunidade única de investigar mais directamente o núcleo quente de uma estrela. Além disso, a fina camada restante de hidrogénio não é espessa o suficiente para amortecer as oscilações dos flashes repetidos do núcleo de hélio, dando aos investigadores a chance de os observar potencialmente directamente.

Este estudo fornece as primeiras informações observacionais sobre os processos complexos previstos pelos modelos estelares na ignição da fusão de hélio. “Este trabalho aproveitou fortemente uma série de cálculos dinâmicos de fluídos liderados pelo ex-companheiro do mesmo instituto Daniel Lecoanet,” realça Bildsten. “Se tudo der certo, estas estrelas podem fornecer um novo campo de teste para este quebra-cabeças fundamental da astrofísica.”

Christensen-Dalsgaard disse que está ansioso por aplicar estas descobertas aos dados reais. E, de facto, os flashes do núcleo de hélio podem já ter sido observados. Várias das estrelas observadas pelo CoRoT e pelo Kepler mostram oscilações inexplicáveis que parecem semelhantes às previsões de flashes do núcleo de hélio. O TESS mostrar-se-á crucial nesta pesquisa futura, explicou, uma vez que observará uma faixa inteira de estrelas, incluindo várias onde estas pulsações podem ser detectáveis. Isto fornecerá mais testes fortes dos modelos e uma visão do que o futuro reserva para o nosso próprio Sol.

Astronomia On-line
1 de Novembro de 2019