Crédito de imagem: ESO
Novos dados coletados pelo Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul parecem indicar que as supernovas podem não ser simétricas quando explodem - seu brilho muda dependendo de como você as vê. Se eles estiverem mais brilhantes ou mais escuros, dependendo de como você os vê, isso poderá causar erros nos seus cálculos de distância. Mas a nova pesquisa indica que eles se tornam mais simétricos ao longo do tempo, então os astrônomos precisam esperar um pouco antes de fazer seus cálculos.
Uma equipe internacional de astrônomos [2] realizou observações novas e muito detalhadas de uma supernova em uma galáxia distante com o Very Large Telescope do ESO (VLT) no Observatório Paranal (Chile). Eles mostram pela primeira vez que um tipo específico de supernova, causado pela explosão de uma “anã branca”, uma estrela densa com uma massa em torno da do Sol, é assimétrica durante as fases iniciais da expansão.
O significado dessa observação é muito maior do que parece à primeira vista. Esse tipo específico de supernova, designado “Tipo Ia”, desempenha um papel muito importante nas tentativas atuais de mapear o Universo. Há muito que se supõe que as supernovas do tipo Ia têm o mesmo brilho intrínseco, ganhando o apelido de "velas padrão".
Nesse caso, as diferenças no brilho observado entre supernovas individuais desse tipo simplesmente refletem suas diferentes distâncias. Isso, e o fato de o pico de brilho dessas supernovas rivalizar com o de sua galáxia-mãe, permitiu medir distâncias de galáxias muito remotas. Algumas aparentes discrepâncias descobertas recentemente levaram à descoberta da aceleração cósmica.
No entanto, essa primeira observação clara da assimetria de explosão em uma supernova do tipo Ia significa que o brilho exato de um objeto assim dependerá do ângulo em que é visto. Como esse ângulo é desconhecido para qualquer supernova em particular, isso obviamente introduz uma quantidade de incerteza nesse tipo de medição básica de distância no Universo, que deve ser levada em consideração no futuro.
Felizmente, os dados do VLT também mostram que, se você esperar um pouco - o que em termos observacionais torna possível olhar mais profundamente a bola de fogo em expansão -, isso se tornará mais esférico. As determinações de distância de supernovas que são realizadas nesta fase posterior serão, portanto, mais precisas.
Explosões de supernovas e distâncias cósmicas
Durante os eventos de supernova do tipo Ia, remanescentes de estrelas com massa inicial de até algumas vezes a do Sol (as chamadas "estrelas anãs brancas") explodem, deixando apenas para trás uma nuvem em rápida expansão de "poeira estelar".
As supernovas do tipo Ia são aparentemente muito semelhantes entre si. Isso lhes proporciona um papel muito útil como “velas padrão” que podem ser usadas para medir distâncias cósmicas. Seu pico de brilho rivaliza com o de sua galáxia-mãe, o que os qualifica como os principais critérios cósmicos.
Os astrônomos exploraram essa feliz circunstância para estudar a história da expansão do nosso universo. Eles chegaram recentemente à conclusão fundamental de que o Universo está se expandindo a um ritmo acelerado, cf. ESO PR 21/98, dezembro de 1998 (consulte também a página da Web Supernova Acceleration Probe).
A explosão de uma estrela anã branca
Nos modelos mais amplamente aceitos das supernovas do tipo Ia, a estrela anã branca pré-explosão orbita uma estrela companheira do tipo solar, completando uma revolução a cada poucas horas. Devido à estreita interação, a estrela companheira perde continuamente massa, parte da qual é captada (na terminologia astronômica: “acumulada”) pela anã branca.
Uma anã branca representa o penúltimo estágio de uma estrela do tipo solar. O reator nuclear em seu núcleo ficou sem combustível há muito tempo e agora está inativo. No entanto, em algum momento, o peso de montagem do material acumulado aumentou tanto a pressão dentro da anã branca que as cinzas nucleares ali se inflamarão e começarão a queimar em elementos ainda mais pesados. Esse processo rapidamente se torna descontrolado e a estrela inteira é destruída em um evento dramático. Uma bola de fogo extremamente quente é vista que muitas vezes ofusca a galáxia hospedeira.
A forma da explosão
Embora todas as supernovas do tipo Ia possuam propriedades bastante semelhantes, nunca ficou claro até agora o quão semelhante esse evento pareceria aos observadores que o veem de diferentes direções. Todos os ovos parecem semelhantes e indistinguíveis um do outro quando vistos do mesmo ângulo, mas a vista lateral (oval) é obviamente diferente da vista final (redonda).
E, de fato, se as explosões de supernova do Tipo Ia fossem assimétricas, elas brilhariam com brilho diferente em direções diferentes. Observações de diferentes supernovas - vistas sob diferentes ângulos - não poderiam, portanto, ser comparadas diretamente.
Não conhecendo esses ângulos, no entanto, os astrônomos infeririam distâncias incorretas e a precisão desse método fundamental para medir a estrutura do Universo estaria em questão.
Polarimetria para o resgate
Um cálculo simples mostra que, mesmo aos olhos de águia do interferômetro VLT (VLTI), todas as supernovas a distâncias cosmológicas aparecerão como pontos de luz não resolvidos; eles estão simplesmente longe demais. Mas há outra maneira de determinar o ângulo em que uma supernova específica é vista: polarimetria é o nome do truque!
A polarimetria funciona da seguinte maneira: a luz é composta de ondas eletromagnéticas (ou fótons) que oscilam em certas direções (planos). A reflexão ou dispersão da luz favorece certas orientações dos campos elétrico e magnético sobre outras. É por isso que os óculos polarizados podem filtrar o brilho da luz do sol refletindo em um lago.
Quando a luz se espalha pelos detritos em expansão de uma supernova, ela retém informações sobre a orientação das camadas de dispersão. Se a supernova for esférica simétrica, todas as orientações estarão presentes igualmente e terão a média calculada, de modo que não haverá polarização líquida. Se, no entanto, a carcaça do gás não for redonda, uma leve polarização líquida será impressa na luz.
“Mesmo para assimetrias bastante visíveis, no entanto, a polarização é muito pequena e mal excede o nível de um por cento”, diz Dietrich Baade, astrônomo do ESO e membro da equipe que realizou as observações. “Medi-los requer um instrumento muito sensível e muito estável. "
A medição em fontes de luz fracas e distantes de diferenças em um nível inferior a um por cento é um desafio observacional considerável. “No entanto, o Very Large Telescope (VLT) do ESO oferece precisão, potência de coleta de luz e instrumentação especializada necessária para uma observação polarimétrica tão exigente”, explica Dietrich Baade. “Mas esse projeto não seria possível sem o VLT sendo operado no modo de serviço. É realmente impossível prever quando uma supernova explodirá e precisamos estar prontos o tempo todo. Somente o modo de serviço permite observações a curto prazo. Alguns anos atrás, foi uma decisão previdente e corajosa da diretoria do ESO de colocar tanta ênfase no Modo de Serviço. E foi a equipe de astrônomos competentes e dedicados do ESO no Paranal que fez desse conceito um sucesso prático ”, acrescenta.
Os astrônomos [1] usaram o instrumento VLT multimodo FORS1 para observar o SN 2001el, uma supernova do tipo Ia que foi descoberta em setembro de 2001 na galáxia NGC 1448, cf. Foto PR 24a / 03 a uma distância de 60 milhões de anos-luz.
As observações obtidas cerca de uma semana antes desta supernova atingiram o brilho máximo por volta de 2 de outubro revelaram polarização em níveis de 0,2-0,3% (Foto PR 24b / 03). Perto da luz máxima e até duas semanas depois, a polarização ainda era mensurável. Seis semanas após o máximo, a polarização caiu abaixo da detectabilidade.
É a primeira vez que uma supernova normal do tipo Ia apresenta evidências tão claras de assimetria.
Olhando mais fundo na supernova
Imediatamente após a explosão da supernova, a maior parte da matéria expelida se move a velocidades em torno de 10.000 km / s. Durante essa expansão, as camadas mais externas se tornam progressivamente mais transparentes. Com o tempo, pode-se olhar cada vez mais fundo na supernova.
A polarização medida no SN 2001el, portanto, fornece evidências de que as partes mais externas da supernova (que são vistas pela primeira vez) são significativamente assimétricas. Mais tarde, quando as observações do VLT "penetram" mais profundamente em direção ao coração da supernova, a geometria da explosão é cada vez mais simétrica.
Se modelada em termos de uma forma esferoidal achatada, a polarização medida no SN 2001el implica uma relação de eixo menor para maior de cerca de 0,9 antes que o brilho máximo seja atingido e uma geometria esférica simétrica a partir de uma semana após esse máximo e em diante.
Implicações cosmológicas
Um dos principais parâmetros nos quais as estimativas de distância do tipo Ia se baseiam é o brilho óptico no máximo. A asfericidade medida neste momento introduziria uma incerteza absoluta de brilho (dispersão) de cerca de 10% se nenhuma correção fosse feita para o ângulo de visão (que não é conhecido).
Enquanto as supernovas do tipo Ia são de longe as melhores velas padrão para medir distâncias cosmológicas e, portanto, para investigar a chamada energia escura, uma pequena incerteza de medição persiste.
"A assimetria que medimos no SN 2001el é grande o suficiente para explicar grande parte dessa incerteza intrínseca", diz Lifan Wang, líder da equipe. “Se todas as supernovas do tipo Ia forem assim, isso representaria grande parte da dispersão nas medições de brilho. Eles podem ser ainda mais uniformes do que pensávamos.
É claro que reduzir a dispersão nas medições de brilho também pode ser alcançado aumentando significativamente o número de supernovas que observamos, mas, como essas medições exigem os maiores e mais caros telescópios do mundo, como o VLT, esse não é o método mais eficiente.
Assim, se o brilho medido uma ou duas semanas após o máximo foi usado, a esfericidade seria restaurada e não haveria erros sistemáticos do ângulo de visão desconhecido. Por essa ligeira mudança no procedimento observacional, as supernovas do Tipo Ia podem se tornar metros cósmicos ainda mais confiáveis.
Implicações teóricas
A presente detecção de características espectrais polarizadas sugere fortemente que, para entender a física subjacente, a modelagem teórica dos eventos de supernovas do tipo Ia terá que ser realizada em todas as três dimensões com mais precisão do que atualmente. De fato, os cálculos hidrodinâmicos altamente complexos disponíveis até o momento não foram capazes de reproduzir as estruturas expostas pelo SN 2001el.
Mais Informações
Os resultados apresentados neste press release foram descritos em um artigo de pesquisa no “Astrophysical Journal” (“Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova” por Lifan Wang e co-autores, Volume 591, p. 1110).
Notas
[1]: Este é um laboratório nacional coordenado do ESO / Lawrence Berkeley / Univ. do comunicado de imprensa do Texas. O comunicado de imprensa da LBNL está disponível aqui.
[2]: A equipe é composta por Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter Höflich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson e Peter Lundqvist.
Fonte original: Comunicado de imprensa do ESO
