Estrelas mortas podem quebrar um dos limites mais famosos da física

A descoberta desafia a compreensão de longa data das anãs brancas, os núcleos densos deixados para trás quando certas estrelas esgotam o seu combustível nuclear e libertam as suas camadas exteriores. Embora estes remanescentes estelares tenham aproximadamente o tamanho da Terra, podem conter tanta massa como o Sol ou até mais.

Para anãs brancas sem campos magnéticos fortes ou rotação rápida, os físicos reconheceram há muito tempo um limite superior de massa de aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol. Conhecido como limite de Chandrasekhar, este limiar desempenha um papel importante na compreensão de como algumas estrelas terminam as suas vidas em explosões espetaculares.

Quando uma anã branca composta principalmente de carbono e oxigénio se aproxima deste limite, o aumento da pressão e da densidade no seu núcleo pode inflamar o carbono, desencadeando potencialmente uma poderosa explosão termonuclear conhecida como supernova Tipo Ia.

Cientistas descobrem como os campos magnéticos podem quebrar um famoso limite cósmico

Novas simulações realizadas por investigadores do Departamento de Física do Instituto Indiano de Ciência (IISc) e seus colaboradores sugerem que o limite de massa tradicional pode não se aplicar a anãs brancas com campos magnéticos internos suficientemente fortes.

Numa simulação, uma anã branca magnetizada atingiu aproximadamente 2,4 vezes a massa do Sol, excedendo substancialmente o limite convencional de 1,4 massas solares.

“A ideia começou em 2011, quando um estudante de verão veio até mim e eu lhe dei um problema de forma bastante casual: verificar se o limite de Chandrasekhar pode ser violado por um campo magnético”, explica Banibrata Mukhopadhyay, professor do Departamento de Física e autor correspondente do estudo publicado em As cartas do jornal astrofísico.

A possibilidade de as anãs brancas ultrapassarem o limite de Chandrasekhar não é inteiramente nova. Os físicos teóricos têm explorado esses objetos incomuns, às vezes chamados de anãs brancas “super-Chandrasekhar”, há décadas.

Os astrónomos também observaram supernovas do Tipo Ia que brilham muito mais intensamente do que o esperado. Estas explosões excepcionalmente luminosas levantaram a possibilidade de que algumas anãs brancas possam atingir massas tão altas quanto 2,8 vezes a do Sol antes de explodirem.

No entanto, demonstrar que tais anãs brancas massivas poderiam teoricamente existir é apenas parte do desafio. Os cientistas também precisam explicar como uma estrela comum poderia naturalmente se transformar em uma.

Seguindo a evolução de uma estrela desde o nascimento até a morte

“A questão importante não era simplesmente se uma anã branca super-Chandrasekhar é possível, mas se uma estrela pode realmente evoluir para uma”, diz Zenia Zuraiq, primeira autora do estudo e estudante de doutoramento no Departamento de Física. “As nossas simulações permitiram-nos seguir esse caminho evolutivo desde a estrela da sequência principal até à anã branca, e mostrar que, sob certas condições, tal caminho é possível.”

Para investigar este processo, os investigadores modificaram um programa de computador de evolução estelar chamado STARS, originalmente desenvolvido na Universidade de Cambridge.

A equipe expandiu o software para levar em conta os campos magnéticos e o resfriamento das anãs brancas. Estas adições permitiram-lhes simular como as estrelas magnetizadas mudam ao longo do tempo, começando com a fase da sequência principal, quando as estrelas geram energia através da fusão do hidrogénio em hélio.

As simulações seguiram então as estrelas através dos seus estágios evolutivos posteriores e até ao seu estado final como anãs brancas. Posteriormente, os investigadores modelaram um sistema estelar binário no qual uma anã branca gradualmente extrai matéria de uma estrela companheira vizinha.

Este processo, conhecido como acreção, permite que a anã branca ganhe massa ao longo do tempo. Os investigadores queriam determinar se o seu campo magnético crescente poderia alterar a quantidade de material adicional que poderia suportar.

Uma força magnética oculta ajuda estrelas mortas a resistir à gravidade

As simulações revelaram um efeito surpreendente. Mesmo um campo magnético que começa relativamente fraco pode tornar-se cada vez mais influente à medida que uma anã branca acumula matéria.

À medida que o material se acumula, a estrela torna-se mais densa e contrai-se sob a sua própria gravidade. Esta compressão fortalece o seu campo magnético interno, que por sua vez fornece pressão adicional que ajuda a neutralizar a gravidade.

O suporte magnético mais forte permite que a anã branca retenha mais massa do que seria possível de outra forma. Também altera a relação familiar entre a massa de uma anã branca e o seu tamanho, criando potencialmente diferentes limites de massa máxima dependendo de como os campos magnéticos se comportam dentro da estrela.

Uma simulação ilustra quão dramática a diferença pode ser.

Os pesquisadores modelaram uma anã branca de carbono-oxigênio com massa inicial 1,02 vezes a do Sol. Ela se formou a partir de uma estrela da sequência principal que originalmente continha oito massas solares.

Na simulação, a anã branca acumulou gradualmente material da sua companheira a uma taxa de 10⁻⁹ massas solares por ano, equivalente a um bilionésimo da massa do Sol anualmente.

Quando os efeitos magnéticos foram incluídos, a anã branca poderia atingir aproximadamente 2,4 massas solares. Sem esses efeitos, um modelo comparável atingiu o limite convencional de aproximadamente 1,4 massas solares.

Os resultados sugerem que os campos magnéticos podem alterar fundamentalmente a massa que uma anã branca pode atingir.

O mesmo mecanismo também pode ajudar a explicar outro enigma astronômico. Algumas anãs brancas bem estudadas têm raios inesperadamente grandes para as suas massas relativamente baixas. A pressão magnética poderia fornecer uma possível explicação para o motivo pelo qual estas estrelas parecem maiores do que os modelos convencionais prevêem.

A descoberta poderia mudar a forma como medimos o Universo?

As implicações podem ir muito além da evolução das estrelas moribundas.

As supernovas do tipo Ia estão entre as ferramentas mais importantes da astronomia para medir distâncias através do cosmos. Como o seu brilho máximo pode ser padronizado, os astrónomos utilizam-nos como pontos de referência cósmicos, muitas vezes chamados de velas padronizáveis.

Ao comparar o brilho real dessas explosões com o brilho que parecem na Terra, os pesquisadores podem estimar suas distâncias. Essas medições ajudaram os cientistas a investigar o tamanho, a história e a expansão contínua do universo.

O limite de Chandrasekhar tem fornecido tradicionalmente uma parte importante da estrutura física para a compreensão destas explosões. Se as anãs brancas atingirem massas semelhantes antes de explodirem, pode-se esperar que a sua produção de energia e brilho sigam padrões amplamente previsíveis.

No entanto, as novas descobertas sugerem que algumas anãs brancas em explosão podem ter massas e campos magnéticos internos substancialmente diferentes.

Essas diferenças podem influenciar as propriedades e a luminosidade das supernovas resultantes, potencialmente ajudando a explicar porque é que certas explosões do Tipo Ia são invulgarmente brilhantes.

Compreender como os campos magnéticos afectam estas explosões estelares poderia, portanto, ajudar os astrónomos a refinar as suas interpretações do brilho das supernovas e a melhorar a sua compreensão da expansão cósmica.

Embora as descobertas venham de simulações de computador, e não de observações diretas de anãs brancas crescendo até essas massas extremas, elas oferecem um possível caminho evolutivo para estrelas que excedem o limite tradicional de Chandrasekhar.

A investigação sugere que um dos limites de massa mais famosos da astronomia pode ter exceções importantes, com campos magnéticos poderosos permitindo que algumas estrelas mortas se tornem muito mais pesadas do que o esperado anteriormente.