O que é uma supernova? - Médico - 2023

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O Universo é um lugar incrível e maravilhoso, mas certamente também pode ser assustador. Ao longo de seus mais de 93 bilhões de anos-luz de diâmetro, alguns eventos tão incrivelmente violentos, colossais e destrutivos estão ocultos que são simplesmente inconcebíveis para nossa imaginação limitada.

E entre todos esses fenômenos titânicos, as supernovas são as rainhas indiscutíveis. Estamos falando de explosões estelares em que estrelas massivas, com massa 8 vezes maior que a do Sol, ao morrerem colapsam sobre si mesmas, liberando enormes quantidades de energia e raios gama que podem atravessar toda a galáxia, atingindo temperaturas de 3 bilhões de graus e brilhando mais de 100.000 estrelas.

Mas o mais surpreendente de tudo é que, apesar de sua violência, as supernovas são o motor do Universo. É graças a eles que estrelas massivas liberam elementos químicos pesados para o espaço. que, durante sua vida, foram se formando em suas entranhas. Como se costuma dizer, somos poeira estelar.

Mas o que exatamente é uma supernova? Que tipos existem? Como eles são formados? As estrelas, ao morrer, deixam algo como um resquício? Se você sempre teve curiosidade sobre a natureza das supernovas, você veio ao lugar certo. No artigo de hoje, responderemos a essas e muitas outras perguntas sobre essas explosões estelares.

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O que exatamente é uma supernova?

O termo "supernova" vem do latim Stellae Novae, que significa "nova estrela". A origem desse termo se deve ao fato de que, nos tempos antigos, as pessoas viam no céu fenômenos que pareciam explosões, como se uma nova estrela estivesse se formando. Daí o nome.

Hoje sabemos que é exatamente o contrário. Longe de ser o nascimento de uma estrela, estamos testemunhando a morte de uma. Uma supernova é uma explosão estelar que ocorre quando uma estrela massiva chega ao fim de sua vida.. Nesse sentido, as supernovas são a última (às vezes a penúltima, mas vamos chegar a isso) fase de vida de estrelas que têm uma massa entre 8 e 120 vezes a do Sol. (Nota: acredita-se que 120 massas sejam solares o limite de massa de uma estrela, embora alguns pareçam contorná-lo).

Nesse sentido, uma supernova é o fenômeno astronômico que ocorre quando uma estrela massiva (entre 8 e 30 vezes a massa do Sol) ou hipermassiva (entre 30 e 120 vezes a massa do Sol), morre. E, como resultado desta morte, a estrela explode na forma deste evento colossal.

Esses são eventos relativamente estranhos no Universo e difíceis de detectar. Na verdade, os astrônomos acreditam que em uma galáxia como a nossa, a Via Láctea (que é de tamanho médio), 2 a 3 supernovas ocorrem a cada 100 anos. Levando em consideração que nossa galáxia pode conter mais de 400 bilhões de estrelas, estamos, na verdade, diante de fenômenos estranhos.

Mesmo assim, o que fomos capazes de detectar (em 2006 detectamos uma supernova com brilho 50.000 milhões de vezes maior que o do Sol e que se originou da morte de uma estrela que parecia ter 150 massas solares) foi suficiente para entender sua natureza.

Sabemos que as supernovas são explosões estelares que produzem flashes de luz extremamente intensos que podem durar de várias semanas a vários meses, atingindo uma luminosidade relativa maior do que a própria galáxia. Além disso, são liberadas grandes quantidades de energia (falamos de 10 a 44 Joules), bem como radiação gama capaz de atravessar toda a galáxia.

De fato, uma supernova localizada a vários milhares de anos-luz da Terra poderia causar, devido a esses raios gama, o desaparecimento de vida na Terra. E tenha cuidado, porque UY Scuti, a maior estrela conhecida, parece estar chegando ao fim de sua vida (pode levar milhões de anos antes de morrer, por esse motivo) e está "apenas" 9.500 anos-luz de nós.

Seja como for, outro fato interessante sobre as supernovas é que no centro da explosão estelar atingem-se temperaturas incrivelmente altas que só são superadas por uma colisão de prótons (e isso acontece no nível subatômico, então quase não conta ) ou com a temperatura de Planck (que só foi atingida no trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo após o Big Bang). Uma supernova atinge uma temperatura de 3.000.000.000 ° C, o que a torna o fenômeno macroscópico mais quente do Universo.

Em suma, uma supernova é uma explosão estelar que ocorre quando uma estrela massiva ou hipermassiva chega ao fim de sua vida, explodindo e emitindo os elementos químicos que a estrela formou por fusão nuclear, liberando quantidades colossais de energia e radiação gama capazes de passar, atingindo uma temperatura de 3 bilhões de graus e atingindo uma luminosidade maior que a de uma galáxia inteira.

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Como as supernovas são formadas?

Para entender o que é uma supernova, é muito importante entender seu processo de formação. E, nesse sentido, existem duas formas principais de se formarem, o que nos faz dividir as supernovas em dois tipos principais (existem mais, mas já estamos entrando em um terreno mais específico): as supernovas Ia e II.

A formação de supernovas II: as mais frequentes

Começaremos com a supernova II porque não apenas são quase 7 vezes mais frequentes do que eu, mas também respondem à ideia geral de supernova. Mas vamos nos colocar em contexto. Todas as estrelas têm um ciclo de vida único.

Quando uma estrela nasce, sua expectativa de vida é determinada por sua massa. As menores, como as anãs vermelhas, vivem muito tempo (tanto que nem houve tempo no Universo para nenhuma delas morrer, pois poderiam viver 200 bilhões de anos), enquanto as maiores vivem menos tempo. O Sol viverá por cerca de 10 bilhões de anos, mas os mais massivos do Universo podem viver por menos de 30 milhões de anos.

Mas por que estamos dizendo isso? Pois em sua massa e, conseqüentemente, em sua expectativa de vida, está o segredo de sua morte. Uma estrela morre de uma forma ou de outra, dependendo de sua massa no nascimento. Dependendo de sua massa, está condenado a morrer de uma maneira específica.

E quando uma estrela morre? Uma estrela morre quando entra em colapso sob sua própria gravidade. Quando uma estrela fica sem combustível, as reações de fusão nuclear deixam de ocorrer (não esqueçamos que no núcleo das estrelas os átomos dos elementos se fundem para formar elementos mais pesados), quebrando-se assim o equilíbrio com sua massa.

Ou seja, não há mais reações de fusão nuclear que puxam para fora e apenas a própria gravidade permanece, que empurra a estrela para dentro. Quando isso acontece, ocorre o que é conhecido como colapso gravitacional, uma situação em que a própria estrela colapsa sob seu peso. Sua gravidade o destrói.

Em estrelas semelhantes ao Sol (ou semelhantes em tamanho, tanto abaixo como acima, mas com menos de 8 massas solares), este colapso gravitacional que acontece quando a gravidade vence a batalha contra a fusão nuclear, faz com que a estrela expulse suas camadas superficiais e condensa enormemente no que é conhecido como uma anã branca, que é basicamente o núcleo da estrela moribunda. Quando nosso Sol morrer, ele deixará para trás uma estrela muito pequena (mais ou menos como a Terra), mas com uma massa muito alta, o que explica porque uma anã branca é um dos corpos celestes mais densos do Universo.

Mas não estamos interessados no que acontece em estrelas pequenas ou médias. Hoje, o que nos preocupa é o que acontece quando uma estrela muito maior do que o Sol morre. E, nesse sentido, quando encontramos uma estrela com massa de pelo menos 8 massas solares, as coisas ficam mais interessantes. E perigoso.

Quando uma estrela massiva (entre 8 e 30 vezes a massa do Sol) ou hipermassiva (entre 30 e 120 vezes a massa do Sol) esgota seu combustível e a gravidade vence a batalha contra a fusão nuclear, o colapso gravitacional resultante não culmina na formação "pacífica" de uma anã branca, mas sim o fenômeno mais violento do Universo: uma supernova.

Quer dizer, uma supernova tipo II se forma após o colapso gravitacional de uma estrela massiva ou hipermassiva. A massa incrivelmente grande da estrela fica sem combustível e colapsa com seu próprio peso, fazendo com que exploda na forma da explosão descrita acima. As supernovas são fenômenos estranhos precisamente por esse motivo. Porque a maioria delas é formada após o colapso gravitacional de estrelas massivas ou hipermassivas e estas representam menos de 10% das estrelas da galáxia.

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Quando esse equilíbrio é quebrado em uma estrela massiva ou hipermassiva, ela explode na forma de uma supernova.

A formação de supernovas Ia: o mais estranho

Agora, embora este seja o processo de formação mais comum e representativo, já dissemos que não é o único. As supernovas do tipo Ia não se formam após a morte por colapso gravitacional de uma estrela massiva ou hipermassiva, mas sim eles fazem isso na forma de uma explosão termonuclear em estrelas de baixa e média massa. Nós nos explicamos.

As supernovas do tipo Ia ocorrem em sistemas binários, ou seja, sistemas estelares nos quais duas estrelas orbitam uma a outra. Em sistemas binários, as duas estrelas tendem a ter idades e massas muito semelhantes. Mas existem pequenas diferenças. E em um nível astronômico, "luz" pode ter milhões de anos e trilhões de kg de diferença.

Ou seja, em um sistema binário sempre há uma estrela com mais massa do que a outra. O que é mais massivo sairá de sua sequência principal (entrará na fase de esgotamento de seu combustível) mais rápido que o outro, então morrerá mais cedo. Neste sentido, a estrela mais massiva morrerá colapsando gravitacionalmente e deixando a anã branca como um remanescente que comentamos.

Enquanto isso, a estrela menos massiva permanece em sua sequência principal por mais tempo. Mas, eventualmente, isso sairá disso também. E quando ficar sem combustível, antes de morrer por colapso gravitacional, vai aumentar de tamanho (todas as estrelas o fazem quando saem da sequência principal), dando origem a uma estrela gigante vermelha e iniciando assim a contagem regressiva para o desastre.

Quando o sistema binário é composto pela anã branca e a gigante vermelha que acabamos de discutir, um fenômeno surpreendente acontece. A anã branca (lembre-se de que sua densidade é muito grande) começa a atrair gravitacionalmente as camadas externas da gigante vermelha. Em outras palavras, a anã branca come a estrela do vizinho.

A anã branca aspira à gigante vermelha até chegar a um momento em que ultrapassa o chamado limite de Chandraskhar, que designa o ponto em que os elétrons degenerados (que permitem manter a estabilidade apesar das pressões graças ao princípio de exclusão de Pauli , que nos diz que dois férmions não podem ocupar o mesmo nível quântico) não são mais capazes de sustentar a pressão do objeto celeste.

Digamos que a anã branca "coma" mais do que é capaz de comer. E quando esse limite é ultrapassado, dá-se início a uma reação em cadeia nuclear que começa com um aumento incrível de pressão no núcleo que leva à fusão, em poucos segundos, de uma quantidade de carbono que, em condições normais, levaria séculos para queimar. . Esta enorme liberação de energia causa a emissão de uma onda de choque (uma onda de pressão que viaja mais rápido que o som) que destruir completamente a anã branca.

Ou seja, uma supernova do tipo Ia não se forma após o colapso gravitacional de uma estrela massiva ou hipermassiva, mas sim porque uma estrela anã branca absorve tanto material de sua estrela vizinha que acaba explodindo por uma explosão nuclear que causa sua destruição. São supernovas muito raras porque, como vemos, muitas condições precisam ocorrer juntas, mas são as mais luminosas de todas.

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O que as supernovas deixam para trás?

E para finalizar, veremos um aspecto muito interessante: os resquícios de supernovas. Como já dissemos, estrelas de massa baixa e média (como o Sol), ao colapsar gravitacionalmente, deixam para trás seu núcleo condensado na forma de uma anã branca. Mas, O que estrelas massivas e hipermassivas que explodem em supernovas deixam como remanescente?

Depende, novamente, de sua massa. Algumas estrelas, ao explodirem em forma de supernova, não deixam nenhum resíduo, pois toda a massa da estrela é liberada na explosão. Mas isso não é o mais comum. Na maioria das vezes, eles deixam para trás dois dos corpos celestes mais estranhos do Universo: uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Se a estrela tiver uma massa entre 8 e 20 massas solares, ela morrerá na forma de uma supernova, mas além disso, como remanescente da explosão, haverá uma estrela de nêutrons. O colapso gravitacional que gerou a explosão foi tão intenso que os átomos no centro da estrela se quebraram. Prótons e elétrons se fundem em nêutrons, então as distâncias intra-atômicas desaparecem e densidades inimagináveis podem ser alcançadas. Uma estrela de nêutrons se formou.

Você consegue imaginar uma estrela com a massa do Sol, mas do tamanho da ilha de Manhattan? Esta é uma estrela de nêutrons. Um corpo celeste que é o resíduo de uma supernova no qual os átomos do núcleo da estrela morta foram completamente quebrados, causando a formação de uma estrela de apenas 10 km de diâmetro com densidade de um trilhão de kg por metro cúbico.

Existem teorias que falam da existência de estrelas hipotéticas mais densas que seria gerado após o colapso gravitacional de estrelas mais massivas do que estas quase à beira de deixar um buraco negro como um resto. Estamos falando de estrelas quark (em teoria os nêutrons se separariam, dando origem a densidades mais altas e uma estrela de 1 km de diâmetro com uma massa várias vezes maior que a do Sol) e as estrelas ainda mais hipotéticas de preons (os quarks também poderiam se dividir em partículas hipotéticas chamadas preons, dando origem a densidades ainda mais altas e uma estrela do tamanho de uma bola de golfe com uma massa como a do Sol).

Como dizemos, tudo isso é hipotético. Mas o que sabemos é que as supernovas geradas pela explosão estelar de uma estrela com mais de 20 massas solares deixam para trás o corpo celeste mais estranho do Universo: um buraco negro.

No rescaldo da supernova, o núcleo da estrela é dominado por uma gravidade incrivelmente imensa que não apenas as partículas subatômicas são estilhaçadas, mas a própria matéria se estilhaça. O colapso gravitacional foi tão intenso que uma singularidade se formou no espaço-tempo, ou seja, um ponto sem volume no espaço, o que torna sua densidade infinita. Um buraco negro nasceu, um objeto que gera uma atração gravitacional tão alta que nem mesmo a luz pode escapar dele. No coração da supernova, formou-se um corpo celeste no qual as leis da física são violadas.

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