Astrônomos do MIT pegam uma estrela em um banquete que pode durar bilhões de anos

A maioria dos planetas, incluindo a Terra, viajam em torno das suas estrelas em órbitas relativamente estáveis. Mas estes acordos pacíficos podem por vezes terminar de forma violenta. Se um planeta se aventurar demasiado perto da sua estrela hospedeira, a gravidade da estrela pode arrastá-lo para dentro e eventualmente engoli-lo.

Os cientistas observaram muitos sistemas planetários com órbitas estáveis, juntamente com um pequeno número de estrelas apanhadas engolindo rapidamente os seus companheiros planetários. Agora, os pesquisadores identificaram algo que fica entre esses dois extremos.

Em um estudo publicado em 5 de outubro em Astronomia da Naturezauma equipe internacional liderada por cientistas do MIT descreve uma estrela que se alimenta lentamente de uma anã marrom, um objeto mais massivo que um planeta típico, mas não suficientemente massivo para sustentar a fusão de hidrogênio que alimenta estrelas comuns.

O sistema, designado ZTF J0440+2325, situa-se na nossa galáxia, a Via Láctea, a aproximadamente 300 anos-luz de distância. É o primeiro exemplo observado de uma estrela de baixa massa extraindo constantemente material de outro objeto de baixa massa.

Ainda mais notável é que a transferência de material parece estar a acontecer tão lentamente que a estrela poderá continuar a alimentar-se da sua companheira durante centenas de milhares de anos, potencialmente até milhares de milhões.

“Quando pensamos em estrelas interagindo com planetas ou anãs marrons, a imagem é sempre a de que a estrela eventualmente engole a outra coisa”, diz Kevin Burdge, professor assistente de física no MIT. “Isto é o que acontecerá à Terra quando o Sol se tornar uma gigante vermelha. Mas aqui encontrámos uma alternativa: em vez de engolir a coisa, a estrela pode comê-la gradualmente, durante milhares de milhões de anos.”

A equipe de pesquisa do MIT também inclui Aaron Householder, Kaitlyn Shin, Saul Rappaport, Joheen Chakraborty e Emma Chicles. Colaboradores adicionais contribuíram do Caltech, da Universidade do Havaí, do Instituto de Astrofísica de Canarias e da Universidade de La Laguna na Espanha, e do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Um sinal misterioso que intrigou os astrônomos durante anos

A primeira pista para esta relação estelar incomum veio do Zwicky Transient Facility (ZTF), uma pesquisa astronômica que procura objetos cujo brilho muda ao longo do tempo.

Operando com um telescópio no Observatório Palomar, na Califórnia, a ZTF fotografa repetidamente grandes seções do céu noturno. Sua câmera sensível pode detectar mudanças repentinas ou incomuns na luz que podem indicar eventos cósmicos poderosos, incluindo explosões de estrelas chamadas supernovas, explosões de raios gama e colisões entre estrelas de nêutrons.

Há vários anos, ao examinar observações recolhidas pela ZTF, Burdge notou um padrão particularmente estranho.

Os astrônomos estudam as mudanças no brilho de um objeto usando um gráfico chamado curva de luz. Para algumas supernovas, esses gráficos formam uma forma arredondada em forma de sino à medida que a estrela em explosão fica mais brilhante e depois desaparece gradualmente.

O sinal que Burdge encontrou parecia completamente diferente. Em vez de uma subida e descida suave, o brilho traçava repetidamente algo semelhante a um triângulo.

“Lembro-me de olhar para isto pela primeira vez e pensar que as estrelas não formam formas de onda triangulares como esta”, lembra ele.

Na época, Burdge e seus colegas estavam investigando outro sinal incomum que se revelou originário de um sistema conhecido como “binário da viúva negra”.

Estes sistemas contêm uma estrela de neutrões, o remanescente extraordinariamente denso de uma estrela massiva, que gira rapidamente enquanto retira material de uma companheira muito mais pequena. Elas recebem o nome de aranhas viúvas negras devido à forma como a estrela de nêutrons destrói gradualmente sua parceira.

Burdge inicialmente considerou se o sinal triangular repetido poderia vir de outro sistema de viúva negra. No entanto, as observações não corresponderam ao que os astrónomos normalmente esperam.

Num típico binário de viúva negra, o forte contraste entre as massas dos dois objetos produz um movimento distinto. A companheira mais pequena move-se rapidamente em torno da estrela de neutrões, muito mais pesada, criando mudanças detectáveis ​​na luz que chega à Terra.

Mas o misterioso sinal triangular não mostrou nenhuma evidência do mesmo movimento pronunciado.

“Não estávamos vendo isso indo e voltando aqui”, diz Burdge. “Não fazia sentido. Não conseguíamos explicar o que era.”

Essa discrepância levou os pesquisadores a considerar outra possibilidade. Talvez o sistema não contivesse um objeto extremamente massivo emparelhado com um companheiro muito mais leve. Em vez disso, ambos os objetos podem ter massas relativamente pequenas, permitindo-lhes orbitar um ao outro com movimentos muito menos dramáticos.

“Se você tiver menos massa no sistema em geral, as coisas podem orbitar suavemente umas às outras sem oscilar para frente e para trás”, diz Burdge. “Essa era a ideia. Mas nunca tivemos nenhuma prova. E esse estranho triângulo ficou parado por anos.”

Uma anã marrom que orbita sua estrela a cada 87 minutos

Eventualmente, Burdge e Aaron Householder, um estudante graduado do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT, retornaram ao sinal inexplicável.

Usando as observações originais da ZTF, identificaram a sua fonte como um objeto a cerca de 300 anos-luz de distância, na Via Láctea. Eles então direcionaram vários telescópios para o sistema, ZTF J0440+2325, para investigar suas propriedades com mais detalhes.

Uma medição importante envolveu determinar o quanto os objetos do sistema se movem em resposta à sua atração gravitacional mútua. Embora os pesquisadores tenham detectado alguma oscilação, ela foi muito menor do que o movimento normalmente associado aos binários da viúva negra.

“Esse foi o verdadeiro argumento decisivo para este sistema”, diz Householder. “Quando medimos essa oscilação, descobrimos que não estávamos vendo uma viúva negra. Esta era uma estrela de baixa massa orbitada por uma anã marrom. A oscilação era muito pequena em amplitude para ser qualquer outra coisa.”

As observações revelaram dois objetos invulgarmente compactos orbitando a uma distância extremamente próxima.

A estrela central tem aproximadamente 85 vezes a massa de Júpiter, enquanto a anã marrom pesa cerca de 25 massas de Júpiter. Para efeito de comparação, o Sol é mais de 1.000 vezes mais massivo que Júpiter.

A anã marrom completa uma revolução completa em torno de sua estrela hospedeira em apenas 87 minutos. Toda a sua órbita é tão pequena que caberia no diâmetro do Sol.

Essa disposição extraordinariamente próxima sugeria que a gravidade poderia estar fazendo mais do que simplesmente manter os objetos em órbita. Os pesquisadores suspeitaram que a estrela poderia estar ativamente afastando matéria da anã marrom.

Cientistas descobrem uma nova forma de canibalismo estelar

Quando um objeto astronômico extrai gás ou outro material de outro, os astrônomos chamam o processo de acréscimo.

A acreção é especialmente familiar em sistemas que envolvem buracos negros e estrelas de nêutrons. Embora estes objetos possam ser extremamente massivos, as suas dimensões físicas são relativamente pequenas. O material que cai em direção a um buraco negro, por exemplo, muitas vezes forma um disco giratório em torno dele antes de se mover para dentro.

Mas o ZTF J0440+2325 parece funcionar de forma diferente.

Em vez de um buraco negro ou uma estrela de nêutrons coletar matéria, uma estrela comum de baixa massa está recebendo material de uma anã marrom próxima. Como a estrela tem uma superfície física muito maior do que um objeto compacto como um buraco negro, o material que chega pode atingi-la diretamente.

“A diferença aqui é que a coisa que absorve matéria não é um pequeno buraco negro, mas uma estrela, que é relativamente grande em tamanho”, explica Burdge. “Portanto, a matéria atinge diretamente a superfície, em velocidades muito altas, como um asteróide atingindo a Lua.”

Para investigar se isso estava realmente acontecendo, os pesquisadores criaram simulações computacionais do sistema.

Eles modelaram partículas originárias da anã marrom e calcularam como essas partículas se moveriam sob a influência gravitacional de ambos os objetos. As simulações incorporaram as propriedades medidas da estrela e da sua companheira, juntamente com as equações físicas que governam o movimento orbital.

Os resultados apoiaram a suspeita da equipe. O material que saiu da anã marrom seguiu trajetórias que o levaram diretamente para a estrela.

“Quando rastreamos essas partículas de teste, vemos que elas realmente caem diretamente na superfície da estrela”, diz Householder. “Esta é a primeira vez que capturamos uma estrela de baixa massa em acreção ativa de outro objeto de baixa massa.”

Uma festa cósmica que poderá continuar por bilhões de anos

A equipe também estimou a rapidez com que a anã marrom está perdendo material.

De acordo com os seus cálculos, a estrela consome aproximadamente um centésimo milésimo da massa da Terra todos os anos.

Essa quantidade pode parecer insignificante, mas representa uma enorme quantidade de material. Os pesquisadores comparam isso com aproximadamente 40 milhões de caminhões basculantes de matéria, ou cerca de 1,3 trilhão de burritos de meio quilo por segundo.

Apesar destes números surpreendentes, a anã castanha é tão massiva que esta perda de material representa apenas uma pequena porção da sua massa total.

Em termos astronômicos, o processo de alimentação é notavelmente gradual.

Com base nas propriedades do sistema e na taxa estimada de transferência de massa, os investigadores acreditam que a estrela poderá continuar a extrair matéria da sua companheira durante milhares de milhões de anos.

Em vez de uma colisão súbita e catastrófica que destrói o objeto mais pequeno, a estrela parece estar a sustentar um fluxo relativamente constante de material da sua vizinha.

Essa constatação também ajudou a explicar o estranho padrão de luz triangular que primeiro atraiu a atenção de Burdge.

À medida que a matéria flui da anã marrom em direção à estrela, ela atinge a superfície estelar em alta velocidade, gerando uma região intensamente aquecida.

Este hotspot brilhante atua como uma bola de fogo persistente na estrela.

À medida que a anã castanha se move ao longo da sua órbita de 87 minutos, o ponto quente gira repetidamente para dentro e para fora do campo de visão do observador. Essas mudanças na visibilidade produzem o padrão distinto de brilho e escurecimento que os astrónomos tiveram dificuldade em compreender.

“É como se você tivesse uma bola de fogo contínua em um dos objetos e, à medida que um orbita o outro, esse ponto quente entra e sai de vista, e o pico do sinal triangular ocorre quando você olha diretamente para a bola de fogo”, explica Burdge.

Um estranho sistema estelar abre uma nova janela para a evolução planetária

Com o sinal triangular finalmente explicado, os investigadores estão agora interessados ​​em identificar outros sistemas estelares que se comportem de forma semelhante.

Até agora, as observações de interações próximas entre estrelas e os seus companheiros planetários têm enfatizado em grande parte ou órbitas estáveis ​​ou eventos de engolfamento relativamente rápidos.

ZTF J0440+2325 demonstra que existe outra possibilidade. Sob as condições certas, uma pequena estrela pode extrair matéria de uma anã marrom próxima sem destruí-la imediatamente.

Encontrar exemplos adicionais pode ajudar os astrónomos a determinar quão comum é este processo, quanto tempo pode persistir e o que acontece com os objetos presos em relações tão extraordinariamente próximas.

A descoberta também pode fornecer novos insights sobre a evolução dos planetas e anãs marrons que orbitam perto de suas estrelas hospedeiras.

“Isso está inspirando muitas novas pesquisas de nossa parte”, diz Householder. “Acho que vamos aprender muito sobre um tipo diferente de maneira como os planetas e as anãs marrons interagem com as suas estrelas hospedeiras.”

Esta pesquisa recebeu apoio parcial da National Science Foundation.