Observações de nebulosas planetárias revelaram conteúdo molecular incomum e surpreendentes enriquecimentos de isótopos raros, desafiando tanto os modelos químicos quanto nosso entendimento atual da nucleossíntese estelar.
Utilizando os telescópios do Observatório de Rádio do Arizona de 12 me submilímetro e o telescópio IRAM de 30 m perto de Granada, Espanha, os astrônomos da Universidade do Arizona descobriram um inventário químico inesperado nas nebulosas planetárias. Esses resultados, apresentados na 236ª reunião da Sociedade Astronômica Americana por Deborah Schmidt (agora no Swarthmore College), sugerem que as nebulosas planetárias desempenham um papel vital no fornecimento de espaço interestelar com material rico em moléculas, e não apenas em átomos.
Além disso, os dados moleculares revelaram enriquecimentos incomuns de isótopos raros de elementos comuns, como carbono, oxigênio e nitrogênio, incluindo 13C, 15N e 17O. As altas abundâncias desses isótopos incomuns nas nebulosas planetárias não podem ser explicadas pelo nosso entendimento atual de como a maioria das estrelas morre, sugerindo que processos adicionais, mesmo explosões violentas, possam estar ocorrendo.
Nebulosas planetárias representam os últimos suspiros de estrelas moribundas do tipo Sol. No final de suas vidas, essas estrelas ejetam suas camadas externas, formando um envelope brilhante e fluorescente que se expande para longe do núcleo remanescente. Este material ejetado se mistura com a matéria de baixa densidade existente entre as estrelas, conhecida como meio interestelar, onde pode ser posteriormente incorporada aos sistemas estelares que se formam recentemente.
O núcleo vestigial, chamado anã branca, emite quantidades abundantes de radiação de alta energia à medida que sua temperatura aumenta na fase da nebulosa planetária. Como resultado, pensou-se há muito tempo que o material nebular deveria ser elementar na composição, com quaisquer moléculas remanescentes de estágios anteriores na vida da estrela sendo destruídas pelos fótons energéticos da anã branca.
Em total desacordo com essas previsões de modelos, as observações conduzidas por Schmidt como parte de seu trabalho de dissertação na Universidade do Arizona revelaram uma riqueza de espécies moleculares incomuns em mais de 25 nebulosas planetárias.
Estes resultados demonstram inequivocamente que as moléculas são componentes importantes da composição das nebulosas planetárias e podem subsequentemente “poluir” o meio interestelar difuso. Historicamente, os astrônomos têm se esforçado para explicar a abundância de moléculas poliatômicas observadas no gás difuso, pois não há material denso suficiente para criá-las em uma escala de tempo realista. As descobertas de Schmidt et al. sugere uma nova solução para esse dilema em andamento.
As observações moleculares dessas nebulosas planetárias também oferecem uma visão única das reações nucleares que ocorreram na estrela progenitora e dos elementos e seus diferentes núcleos que foram produzidos. Isso ocorre porque as observações nos comprimentos de onda do rádio e do milímetro são conduzidas com a mais alta resolução espectral, permitindo que moléculas com diferentes elementos e isótopos sejam claramente distinguidas.
Schmidt e colegas descobriram que as moléculas encontradas indicam se a estrela progenitora era rica em carbono, por exemplo. Além disso, eles foram capazes de medir proporções de abundância entre o elemento principal e suas formas mais raras, como 12C / 13C ou 14N / 15N. Sabe-se que essas proporções são sondas sensíveis dos processos que ocorreram nas profundezas da estrela antes de sua morte e foram usadas como uma das poucas “referências” para testar a modelagem estelar. Agora, pela primeira vez, eles podem ser medidos com precisão nas nebulosas planetárias, fornecendo um “instantâneo” dos estágios finais da estrela.
O que as observações revelaram nas nebulosas planetárias? Muito carbono, em primeiro lugar, juntamente com altas abundâncias de 13C, e em uma nebulosa, K4-47, quantidades enormemente elevadas de 15N e 17O – mais altas do que as observadas em qualquer outro lugar do universo (Schmidt et al. 2018). As altas concentrações de 13C, 15N e 17O observadas em nebulosas planetárias não foram previstas por modelos de estrelas que estão morrendo.
Especificamente, Schmidt e colaboradores sugerem que as estrelas progenitoras dessas nebulosas planetárias podem ter passado por um evento inesperado ao darem seus últimos “suspiros” – um flash de concha de hélio, no qual o carbono quente das profundezas da estrela é soprado para a superfície estelar . Na violenta explosão que ocorre, 13C, 15N e 17O são criados e ejetados da estrela. Esse processo energético também pode explicar as geometrias bipolares e multipolares incomuns normalmente exibidas pelas nebulosas planetárias, dando a elas suas formas de “ampulheta” e “trevo”.
As estrelas que estão morrendo também produzem grãos de poeira. Alguns desses grãos chegaram ao nosso sistema solar, onde pesquisadores como o colaborador Thomas Zega os extraem de meteoritos primitivos. Isótopos elementares podem ser medidos nesses grãos chamados “pré-molares”, fornecendo a Pedra de Roseta de sua história. Verificou-se que alguns desses grãos exibem proporções consistentemente baixas de 12C / 13C, 14N / 15N e 16O / 17O – um quebra-cabeça para os cosmoquímicos, pois essas proporções não podem ser explicadas por modelos normais.
Por falta de uma explicação melhor, especula-se que esses grãos atípicos tenham origem em novas, um tipo de explosão termonuclear que ocorre na superfície dos remanescentes estelares de baixa massa em sistemas binários. Suas proporções incomuns, no entanto, coincidem com as encontradas em K4-47, sugerindo que as nebulosas planetárias são seus verdadeiros locais de nascimento.
As nebulosas planetárias suprem a maior parte da matéria encontrada no espaço interestelar, o que posteriormente leva a sistemas estelares como o nosso. O trabalho de Schmidt e colegas mostrou que esses objetos contêm moléculas ocultas e isótopos elementares, invisíveis nas imagens coloridas que os retratam. A exploração dessas novas e inesperadas facetas das nebulosas planetárias é crucial para a nossa compreensão da história das estrelas e da evolução da matéria que formou nosso sistema solar.
Publicado em 03/06/2020 07h03
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