Os astrônomos comumente se referem às estrelas massivas como as fábricas químicas do Universo. Eles geralmente terminam suas vidas em supernovas espetaculares, eventos que forjam muitos dos elementos da tabela periódica. Como os núcleos elementares se misturam dentro dessas enormes estrelas tem um grande impacto em nossa compreensão de sua evolução antes de sua explosão. Também representa a maior incerteza para os cientistas que estudam sua estrutura e evolução.
Uma equipe de astrônomos liderados por May Gade Pedersen, um pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Teórica da UC Santa Bárbara, mediu agora a mistura interna dentro de um conjunto dessas estrelas usando observações de ondas de seus interiores profundos. Embora os cientistas já tenham usado essa técnica antes, este artigo marca a primeira vez que isso foi realizado para um grupo tão grande de estrelas de uma só vez. Os resultados, publicados na Nature Astronomy, mostram que a mistura interna é muito diversa, sem dependência clara da massa ou idade de uma estrela.
As estrelas passam a maior parte de suas vidas fundindo hidrogênio em hélio no fundo de seus núcleos. No entanto, a fusão em estrelas particularmente massivas é tão concentrada no centro que leva a um núcleo convectivo turbulento semelhante a uma panela de água fervente. A convecção, junto com outros processos como rotação, remove efetivamente a cinza de hélio do núcleo e a substitui por hidrogênio do envelope. Isso permite que as estrelas vivam muito mais do que o previsto.
Os astrônomos acreditam que essa mistura surge de vários fenômenos físicos, como rotação interna e ondas sísmicas internas no plasma excitado pelo núcleo em convecção. No entanto, a teoria permaneceu amplamente livre de observações, visto que ocorre nas profundezas da estrela. Dito isso, existe um método indireto de perscrutar as estrelas: a asteroseismologia, o estudo e a interpretação das oscilações estelares. A técnica tem paralelos com a forma como os sismólogos usam terremotos para sondar o interior da Terra.
“O estudo das oscilações estelares desafia nossa compreensão da estrutura e evolução estelar”, disse Pedersen. “Eles nos permitem sondar diretamente os interiores estelares e fazer comparações com as previsões de nossos modelos estelares.”
Pedersen e seus colaboradores da KU Leuven, da University of Hasselt e da University of Newcastle foram capazes de derivar a mixagem interna para um conjunto de tais estrelas usando asteroseismologia. Esta é a primeira vez que tal feito foi alcançado, e foi possível graças apenas a uma nova amostra de 26 estrelas do tipo B de pulsação lenta com oscilações estelares identificadas da missão Kepler da NASA.
Estrelas do tipo B de pulsação lenta têm entre três e oito vezes mais massa do que o sol. Eles se expandem e contraem em escalas de tempo da ordem de 12 horas a 5 dias e podem mudar de brilho em até 5%. Seus modos de oscilação são particularmente sensíveis às condições próximas ao núcleo, explicou Pedersen.
“A mistura interna dentro das estrelas agora foi medida observacionalmente e acabou sendo diversa em nossa amostra, com algumas estrelas quase sem mistura, enquanto outras revelam níveis um milhão de vezes mais altos”, disse Pedersen. A diversidade não tem relação com a massa ou idade da estrela. Em vez disso, é principalmente influenciado pela rotação interna, embora esse não seja o único fator em jogo.
“Esses resultados asterossísmicos finalmente permitem aos astrônomos melhorar a teoria da mistura interna de estrelas massivas, que até agora permaneceu não calibrada por observações vindas diretamente de seus interiores profundos”, acrescentou ela.
A precisão com que os astrônomos podem medir as oscilações estelares depende diretamente de quanto tempo uma estrela é observada. Aumentar o tempo de uma noite para um ano resulta em um aumento de mil vezes na precisão medida das frequências de oscilação.
“May e seus colaboradores realmente mostraram o valor das observações asterossísmicas como sondas do interior profundo das estrelas de uma maneira nova e profunda”, disse o diretor do KITP, Lars Bildsten, o professor Gluck de física teórica. “Estou animado para ver o que ela encontrará a seguir.”
Os melhores dados disponíveis atualmente para isso vêm da missão espacial Kepler, que observou o mesmo pedaço do céu por quatro anos contínuos. As estrelas do tipo B de pulsação lenta foram as estrelas de maior massa pulsante que o telescópio observou. Embora a maioria deles seja um pouco pequena demais para virar supernova, eles compartilham a mesma estrutura interna que as fábricas químicas estelares mais massivas. Pedersen espera que os insights colhidos do estudo das estrelas do tipo B esclareçam o funcionamento interno de suas contrapartes do tipo O de maior massa.
Ela planeja usar dados do Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA para estudar grupos de estrelas oscilantes de alta massa em associações OB. Esses grupos compreendem de 10 a mais de 100 estrelas massivas entre 3 e 120 massas solares. Estrelas em associações OB nascem da mesma nuvem molecular e compartilham idades semelhantes, explicou ela. A grande amostra de estrelas, e a restrição de suas idades comuns, oferece novas oportunidades empolgantes para estudar as propriedades de mistura interna de estrelas de alta massa.
Além de revelar os processos ocultos nos interiores estelares, a pesquisa sobre as oscilações estelares também pode fornecer informações sobre outras propriedades das estrelas.
“As oscilações estelares não apenas nos permitem estudar a mistura e rotação interna das estrelas, mas também determinar outras propriedades estelares, como massa e idade”, explicou Pedersen. “Embora esses sejam dois dos parâmetros estelares mais fundamentais, eles também são alguns dos mais difíceis de medir.”
Publicado em 17/05/2021 15h46
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