Desde que foram descobertos em 2018, os transientes ópticos azuis rápidos (FBOTs) surpreenderam e confundiram completamente os astrofísicos observacionais e teóricos.
Tão quentes que brilham em azul, esses objetos misteriosos são o fenômeno óptico mais brilhante conhecido no universo. Mas com apenas alguns descobertos até agora, as origens dos FBOTs permaneceram indescritíveis.
Agora, uma equipe de astrofísica da Northwestern University apresenta uma nova explicação ousada para a origem dessas curiosas anomalias. Usando um novo modelo, os astrofísicos acreditam que os FBOTs podem resultar dos casulos de resfriamento ativo que cercam os jatos lançados por estrelas moribundas. Ele marca o primeiro modelo astrofísico totalmente consistente com todas as observações relacionadas aos FBOTs.
A pesquisa foi publicada em 11 de abril no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
À medida que uma estrela massiva colapsa, ela pode lançar fluxos de detritos a taxas próximas à velocidade da luz. Esses fluxos, ou jatos, colidem em camadas em colapso da estrela moribunda para formar um “casulo” ao redor do jato. O novo modelo mostra que, à medida que o jato empurra o casulo para fora – longe do núcleo da estrela em colapso – ele esfria, liberando calor como uma emissão FBOT observada.
“Um jato começa no fundo de uma estrela e depois perfura seu caminho para escapar”, disse Ore Gottlieb, da Northwestern, que liderou o estudo. “À medida que o jato se move pela estrela, ele forma uma estrutura estendida, conhecida como casulo. O casulo envolve o jato e continua a fazê-lo mesmo depois que o jato escapa da estrela, esse casulo escapa com o jato. Quando calculamos quanta energia o casulo tem, acabou sendo tão poderoso quanto um FBOT.”
Gottlieb é Rothschild Fellow no Northwestern’s Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Ele é co-autor do artigo com Sasha Tchekovskoy, membro do CIERA, professor assistente de física e astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern.
O problema do hidrogênio
FBOTs (pronuncia-se F-bot) são um tipo de explosão cósmica inicialmente detectada no comprimento de onda óptico. Como o próprio nome indica, os transientes desaparecem quase tão rapidamente quanto aparecem. Os FBOTs atingem o brilho máximo em questão de dias e depois desaparecem rapidamente – muito mais rápido do que as supernovas padrão aumentam e declinam.
Depois de descobrir os FBOTs há apenas oito anos, os astrofísicos se perguntaram se os eventos misteriosos estavam relacionados a outra classe transitória: explosões de raios gama (GRBs). As explosões mais fortes e brilhantes em todos os comprimentos de onda, GRBs também estão associadas a estrelas moribundas. Quando uma estrela massiva esgota seu combustível e colapsa em um buraco negro, ela lança jatos para produzir uma poderosa emissão de raios gama.
“A razão pela qual pensamos que GRBs e FBOTs podem estar relacionados é porque ambos são muito rápidos – movendo-se perto da velocidade da luz – e ambos têm formato assimétrico, quebrando a forma esférica da estrela”, disse Gottlieb. “Mas havia um problema. As estrelas que produzem GRBs carecem de hidrogênio. Não vemos nenhum sinal de hidrogênio em GRBs, enquanto em FBOTs vemos hidrogênio em todos os lugares. Portanto, não pode ser o mesmo fenômeno.”
Usando seu novo modelo, Gottlieb e seus coautores acham que podem ter encontrado uma resposta para esse problema. Estrelas ricas em hidrogênio tendem a abrigar hidrogênio em sua camada mais externa – uma camada muito espessa para um jato penetrar.
“Basicamente, a estrela seria muito massiva para o jato penetrar”, disse Gottlieb. “Então o jato nunca conseguirá sair da estrela, e é por isso que não consegue produzir um GRB. No entanto, nessas estrelas, o jato moribundo transfere toda a sua energia para o casulo, que é o único componente que escapa da estrela. O casulo emitirá emissões FBOT, que incluirão hidrogênio. Esta é outra área em que nosso modelo é totalmente consistente com todas as observações FBOT.”
Juntando a imagem
Embora os FBOTs brilhem em comprimentos de onda ópticos, eles também emitem ondas de rádio e raios-X. O modelo de Gottlieb também explica isso.
Quando o casulo interage com o gás denso ao redor da estrela, essa interação aquece o material estelar para liberar uma emissão de rádio. E quando o casulo se expande para longe o suficiente do buraco negro (formado a partir da estrela colapsada), os raios X podem vazar do buraco negro. Os raios X juntam rádio e luz óptica para formar uma imagem completa do evento FBOT.
Embora Gottlieb seja encorajado pelas descobertas de sua equipe, ele diz que mais observações e modelos são necessários antes que possamos entender definitivamente as origens misteriosas dos FBOTs.
“Esta é uma nova classe de transientes, e sabemos tão pouco sobre eles”, disse Gottlieb. “Precisamos detectar mais deles mais cedo em sua evolução antes que possamos entender completamente essas explosões. Mas nosso modelo é capaz de traçar uma linha entre supernovas, GRBs e FBOTs, o que eu acho muito elegante.”
“Este estudo abre caminho para simulações mais avançadas de FBOTs”, disse Tchekovskoy. “Este modelo de próxima geração nos permitirá conectar diretamente a física do buraco negro central aos observáveis, permitindo-nos revelar a física oculta do motor central do FBOT”.
O estudo, “Jatos Shocked in CCSNe podem alimentar o zoológico de transientes ópticos azuis rápidos”, foi apoiado pela National Science Foundation (números de premiação AST-1815304 e AST-2107839). Os autores desenvolveram a simulação usando supercomputadores no Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin.
Publicado em 24/04/2022 12h28
Artigo original:
Estudo original: