TESS sintoniza uma “sinfonia” de estrelas gigantes vermelhas

Usando observações do TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA, os astrónomos identificaram uma coleção sem precedentes de estrelas gigantes vermelhas pulsantes por todo o céu.

Estas estrelas, cujos ritmos surgem de ondas sonoras internas, fornecem os acordes iniciais de uma exploração sinfónica da nossa vizinhança galáctica.

O TESS caça principalmente mundos para lá do nosso Sistema Solar, também conhecidos como exoplanetas. Mas as suas medições sensíveis do brilho estelar tornam o TESS ideal para estudar oscilações estelares, uma área de investigação chamada asterosismologia.

“O nosso resultado inicial, usando medições estelares ao longo dos primeiros anos do TESS, mostra que podemos determinar as massas e os tamanhos destas gigantes oscilantes com uma precisão que só vai melhorar à medida que o TESS avança,” disse Marc Hon, associado do Hubble na Universidade do Hawaii em Honolulu. “O que é realmente aqui incomparável é que a ampla cobertura do TESS permite-nos fazer estas medições uniformemente em quase todo o céu.”

Hon apresentou a investigação durante a segunda Conferência Científica do TESS, um evento apoiado pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology) em Cambridge – realizada virtualmente de 2 a 6 de agosto – onde os cientistas discutiram todos os aspetos da missão. A revista The Astrophysical Journal aceitou um artigo que descreve as descobertas, liderado por Hon.

As ondas sonoras que viajam através de qualquer objeto – uma corda de viola, um tubo de órgão ou o interior da Terra e do Sol – podem refletir e interagir, reforçando algumas ondas e cancelando outras. Isto pode resultar num movimento ordenado chamado ondas estacionárias, que criam os tons nos instrumentos musicais.

Logo abaixo da superfície de estrelas como o Sol, o gás quente sobe, arrefece e depois desce, onde é aquecido novamente, como uma panela de água a ferver num fogão. Este movimento produz ondas de mudança de pressão – ondas sonoras – que interagem, em última análise conduzindo oscilações estáveis com períodos de alguns minutos que produzem mudanças subtis de brilho.

Para o Sol, estas variações totalizam algumas partes por milhão. Estrelas gigantes com massas semelhantes à do Sol pulsam muito mais devagar e as alterações de brilho correspondentes podem ser centenas de vezes maiores.

As oscilações no Sol foram observadas pela primeira vez na década de 1960. As oscilações do tipo solar foram detetadas em milhares de estrelas pelo telescópio espacial francês CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits), que operou de 2006 a 2013. As missões Kepler e K2 da NASA, que estudaram o céu de 2009 a 2018, descobriram dezenas de milhares de gigantes oscilantes. Agora, o TESS aumenta esse número em mais de 10 vezes.

“Com uma amostra tão grande, as gigantes que podem ocorrer apenas 1% das vezes tornam-se bastante comuns”, disse o coautor Jamie Tayar, associado do Hubble também na Universidade do Hawaii. “Agora podemos começar a pensar em encontrar exemplos ainda mais raros.”

São as diferenças físicas entre um violoncelo e um violino que produzem os seus sons distintos. Da mesma forma, as oscilações estelares que os astrónomos observam dependem da estrutura interna, da massa e do tamanho de cada estrela. Isto significa que a asterosismologia pode ajudar a determinar propriedades fundamentais para um grande número de estrelas com precisões não alcançáveis de outra forma.

Quando estrelas semelhantes em massa ao Sol evoluem para gigantes vermelhas, a penúltima fase das suas vidas estelares, as suas camadas externas expandem dez vezes ou mais. Estes vastos invólucros gasosos pulsam com períodos mais longos e amplitudes maiores, o que significa que as suas oscilações podem ser observadas em estrelas mais fracas e mais numerosas.

O TESS monitoriza grandes áreas do céu durante cerca de um mês de cada vez usando as suas quatro câmaras. Durante a sua missão principal de dois anos, o TESS cobriu cerca de 75% do céu, cada câmara capturando uma imagem completa medindo 24 por 24 graus a cada 30 minutos. Em meados de 2020, as câmaras começaram a obter estas imagens a um ritmo ainda mais rápido, a cada dez minutos.

As imagens foram usadas para desenvolver curvas de luz – gráficos de mudança de brilho – para quase 24 milhões de estrelas ao longo de 27 dias, o tempo que o TESS olha fixamente para cada zona do céu. Para filtrar esta imensa acumulação de medições, Hon e colegas “ensinaram” um computador a reconhecer gigantes pulsantes.

A equipa usou aprendizagem de máquina, uma forma de inteligência artificial que treina computadores a tomar decisões com base em padrões gerais, sem os programar explicitamente.

Para treinar o sistema, a equipa usou curvas de luz do Kepler para mais de 150.000 estrelas, das quais cerca de 20.000 eram gigantes vermelhas oscilantes. Quando a rede neuronal terminou de processar todos os dados TESS, tinha identificado um coro de 158.505 gigantes pulsantes.

De seguida, a equipa determinou as distâncias para cada gigante usando dados da missão Gaia da ESA, e traçou as massas destas estrelas no céu. Estrelas mais massivas do que o Sol evoluem mais depressa, tornando-se gigantes em idades mais jovens. Uma previsão fundamental na astronomia galáctica é que estrelas mais jovens e de maior massa deveriam estar mais próximas do plano da Galáxia, que é marcado pela alta densidade de estrelas que criam a faixa brilhante da Via Láctea no céu noturno.

“O nosso mapa demonstra empiricamente, pela primeira vez, que este é realmente o caso em quase todo o céu,” disse o coautor Daniel Huber, professor assistente de astronomia na Universidade do Hawaii. “Com a ajuda do Gaia, o TESS deu-nos agora bilhetes para um concerto de gigantes vermelhas no céu.”