Observando a morte de uma rara estrela gigante

Uma equipa de astrónomos liderada pela Universidade do Arizona criou uma imagem tridimensional e detalhada de uma estrela hipergigante moribunda.

A equipa, liderada pelos investigadores Ambesh Singh e Lucy Ziurys da Universidade do Arizona, traçou a distribuição, direções e velocidades de uma variedade de moléculas em torno de uma estrela hipergigante vermelha conhecida como VY Canis Majoris.

As suas descobertas, que apresentaram a 13 de junho no 240.ª Encontro da Sociedade Astronómica Americana em Pasadena, Califórnia, oferecem perspetivas a uma escala sem precedentes sobre os processos que acompanham a morta de estrelas gigantes.

O trabalho foi feito com os colaboradores Robert Humphreys da Universidade de Minnesota e Anita Richards da Universidade de Manchester, no Reino Unido.

As estrelas supergigantes extremas, conhecidas também como hipergigantes, são muito raras, sendo que apenas algumas conhecidas existem na Via Láctea.

Exemplos incluem Betelgeuse, a segunda estrela mais brilhante da constelação de Orionte, e NML Cygni, também conhecida como V1489 Cygni, na direção da constelação de Cisne.

Ao contrário das estrelas com massas mais baixas — que são mais propensas a inchar quando entram na fase de gigante vermelha, mas geralmente mantêm uma forma esférica — as hipergigantes tendem a passar por substanciais eventos de perda de massa que formam estruturas complexas e altamente irregulares compostas por arcos, aglomerados e nós.

Localizada a cerca de 3009 anos-luz da Terra, VY Canis Majoris — ou VY CMa, para abreviar — é uma estrela variável pulsante na direção da constelação de Cão Maior.

Abrangendo entre 10.000 e 15.000 unidades astronómicas (1 unidade astronómica, ou UA, é a distância média entre a Terra e o Sol, cerca de 150 milhões de quilómetros), VY CMa é possivelmente a estrela mais massiva da Via Láctea, de acordo com Ziurys.

“Pense nela como Betelgeuse em esteroides,” disse Ziurys, Professor Regente no Departamento de Química e Bioquímica da Universidade do Arizona e do Observatório Steward. “É muito maior, muito mais massiva e sofre erupções gigantescas mais ou menos a cada 200 anos.”

A equipa optou por estudar VY CMa porque é considerado um dos melhores exemplos destes tipos de estrelas.

“Estamos particularmente interessados no que as estrelas hipergigantes fazem no final das suas vidas,” disse Singh, no seu 4.º ano de doutoramento e membro do laboratório de Ziurys. “As pessoas costumavam pensar que estas estrelas massivas simplesmente evoluíam para supernovas, mas já não temos a certeza.”

“Se assim fosse, deveríamos ver muitas mais explosões de supernova pelo céu,” acrescentou Ziurys. “Pensamos agora que podem colapsar calmamente em buracos negros, mas não sabemos quais acabam assim as suas vidas, ou porque é que isso acontece e como.”

Imagens anteriores de VY CMa com o Telescópio Espacial Hubble da NASA e espectroscopia mostraram a presença de arcos distintos e outros aglomerados e nós, muitos estendendo-se milhares de UA a partir da estrela central.

Para descobrir mais detalhes dos processos pelos quais as estrelas hipergigantes terminam as suas vidas, a equipa começou a traçar certas moléculas em torno da hipergigante e a mapeá-las para imagens pré-existentes da poeira, obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble.

“Ninguém tem sido capaz de obter uma imagem completa desta estrela,” disse Ziurys, explicando que a sua equipa se propôs a compreender os mecanismos através dos quais a massa da estrela é libertada, que parecem ser diferentes dos das estrelas mais pequenas que entram na sua fase gigante vermelha no final das suas vidas.

“Não se vê esta agradável e simétrica perda de massa, mas sim células de convecção que ‘sopram’ através da fotosfera da estrela como balas gigantes e ejetam massa em diferentes direções,” disse Ziurys. “Estas são análogas aos arcos coronais vistos no Sol, mas mil milhões de vezes maiores.”

A equipa usou o ALMA (Atacama Large Millimeter Array) no Chile para rastrear uma variedade de moléculas em material ejetado a partir da superfície estelar.

Enquanto algumas observações ainda estão em curso, foram obtidos mapas preliminares do óxido de enxofre, dióxido de enxofre, óxido de silício, óxido de fósforo e cloreto de sódio. A partir destes dados, o grupo construiu uma imagem da estrutura do fluxo global molecular de VY CMa em escalas que englobavam todo o material ejetado a partir da estrela.

“As moléculas traçam os arcos no invólucro, o que nos diz que as moléculas e a poeira estão bem misturadas,” disse Singh.

“O que é bom nas emissões de moléculas em comprimentos de onda de rádio é que nos fornecem informação da velocidade, em oposição à emissão de poeira, que é estática”, acrescentou o especialista.

Ao mover as 48 antenas do ALMA para diferentes configurações, os investigadores conseguiram obter informações sobre as direções e velocidades das moléculas e mapeá-las através das diferentes regiões do invólucro da hipergigante com considerável detalhe, correlacionando-as mesmo com diferentes eventos de ejeção de massa ao longo do tempo.

O processamento dos dados exigiu algum “levantamento pesado” em termos de poder computacional, disse Singh.

“Até agora, já processámos quase um terabyte do ALMA e ainda recebemos dados que temos de analisar para obter a melhor resolução possível,” disse.

“Só a calibração e limpeza dos dados requer até 20.000 iterações, o que leva um dia ou dois para cada molécula”, sublinha ainda.

“Com estas observações, podemos agora colocá-las em mapas no céu,” acrescentou Ziurys. “Até agora, apenas pequenas porções desta enorme estrutura tinham sido estudadas, mas não se consegue compreender a perda de massa e como estas grandes estrelas morrem, a menos que se olhe para toda a região. É por isso que queríamos criar uma imagem completa.”

Com o financiamento da NSF (National Science Foundation), a equipa planeia publicar as suas conclusões numa série de artigos científicos.