Por que nossas supernovas não explodem?

Um modelo feito em um supercomputador do núcleo de uma supernova em rápida rotação entrando em colapso. As observações dos remanescentes de supernovas reais, a serem feitas pelo NUSTAR, fornecerão dados vitais para estes modelos.(Imagem: Fiona Harrison/Caltech)

Espetáculo fracassado

Uma velha estrela gigantesca está prestes a morrer de uma morte espetacular. Conforme o seu combustível nuclear se esgota, ela começa a entrar em colapso sob seu próprio peso colossal.

A pressão de esmagamento no interior da estrela dispara, desencadeando novas reações nucleares, preparando o palco para uma explosão espetacular.

E então … nada acontece.

Pelo menos é isso o que os supercomputadores têm dito aos astrofísicos durante décadas. Muitos dos melhores modelos de computador de explosões de supernovas simplesmente não geram uma explosão. Em vez disso, de acordo com as simulações, a gravidade vence, e a estrela simplesmente entra em colapso, sem nenhuma explosão.

Humildade

“Nós realmente ainda não compreendemos como as supernovas de estrelas massivas funcionam”, diz Fiona Harrison, uma astrofísica do Instituto de Tecnologia da Califórnia. A morte de estrelas relativamente pequenas é muito melhor compreendida pelos cientistas, mas para as estrelas maiores – aquelas com mais de 9 vezes a massa do nosso Sol – a física simplesmente não tem respostas.

Alguma coisa deve ajudar o empurrão para fora da radiação, além de outras pressões, a superar a pressão para dentro exercida pela gravidade. Para descobrir o que esse “algo” é, os cientistas precisam de examinar o interior de uma supernova real, no momento que ela está explodindo – o que não é uma coisa muito fácil de se fazer!

Concepção artística do telescópio NUSTAR. A óptica de focalização dos raios X exige distâncias focais longas - daí o mastro telescópico de 10 metros, que se estenderá após o lançamento. (Imagem: NASA)

Telescópio de raios X

Mas é exatamente isso que Harrison pretende fazer com um novo telescópio espacial que ela e seus colegas estão desenvolvendo, chamado NUSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array – telescópio de espectroscopia nuclear).

Depois que ele for lançado em 2011, a bordo de um foguete Pegasus, o NUSTAR dará aos cientistas uma visão sem precedentes dos raios X de alta energia vindos daquilo que restou das supernovas, buracos negros, blazares e outros fenômenos cósmicos extremos.

O NUSTAR será o primeiro telescópio espacial capaz de realmente focalizar esses raios X de alta energia, produzindo imagens aproximadamente 100 vezes mais nítidas do que as que se pode captar com os telescópios atuais.

Usando o NUSTAR, os cientistas vão procurar pistas sobre as condições existentes no interior das estrelas que explodiram e que ficaram gravadas no padrão de elementos espalhados por toda a nebulosa que se forma depois que a estrela explode.

Titânio

“Você não tem a oportunidade de assistir a essas explosões muito frequentemente, daquelas que estejam próximas o suficiente para serem estudadas em detalhe,” diz Harrison. “O que podemos fazer é estudar os detritos. A composição e a distribuição do material nesses remanescentes dizem muita coisa sobre a explosão.”
Um elemento em particular é de grande interesse: o titânio-44.

O telescópio NUSTAR irá mapear a distribuição de titânio-44 em remanescentes de supernovas, como a Cassiopeia A, para procurar evidências de assimetrias. (Imagem: Chandra X-Ray Observatory)

A criação desse isótopo de titânio por meio de fusão nuclear requer uma combinação bem precisa de energia, pressão e matérias-primas. Dentro da estrela que está colapsando, esta combinação ocorre a uma profundidade que é muito especial. Qualquer coisa abaixo dessa profundidade irá sucumbir à gravidade e retrair-se para formar um buraco negro. Qualquer coisa acima dessa profundidade será ejetada na explosão. O titânio-44 está exatamente nesse limite de profundidade.

Desta forma, o padrão de como o titânio-44 se espalha pela nebulosa pode revelar muito sobre o que aconteceu naquele limiar crucial durante a explosão. E, com essa informação, os cientistas podem ser capazes de descobrir o que há de errado com as suas simulações de computador.

Assimetrias

Alguns cientistas acreditam que os modelos de computador são simétricos demais. Até recentemente, mesmo com os mais poderosos supercomputadores, os cientistas só eram capazes de simular uma fatia unidimensional de uma estrela. Eles simplesmente assumiam que o resto da estrela se comporta da mesma forma, fazendo a implosão simulada acontecer da mesma forma em todas as direções radiais.

Mas e se esse pressuposto estiver errado?

“As assimetrias podem ser a chave,” diz Harrison. Em um colapso assimétrico, forças expansivas poderiam irromper em alguns lugares, mesmo se o esmagamento da gravidade estiver sendo avassalador em outros.

Na verdade, mais recentemente, simulações bidimensionais sugeriram que as assimetrias poderiam ajudar a resolver o mistério da “supernovas que não explodem”.

Se o NUSTAR descobrir que o titânio-44 está espalhado de forma desigual, isto seria uma evidência de que as próprias explosões foram assimétricas, explica Harrison.

Óptica Wolter

Para detectar o titânio-44, o NUSTAR precisa ser capaz de focalizar os raios X de alta energia. O titânio-44 é radioativo e, quando ele decai, libera raios gama com uma energia de 68 quilo-elétron-volts (keV). Os telescópios de raios X atuais, como o Chandra, só conseguem focalizar raios X até cerca de 15 keV.

Lentes normais, na verdade, não são nem mesmo capazes de focalizar raios X, porque o vidro curva apenas muito ligeiramente os raios X. Assim, para uma lente de vidro poder curvar os raios X o suficiente para dirigi-los, ela teria que ser tão grossa que ela na verdade absorveria os raios X.

Os telescópios de raios X usam um tipo totalmente diferente de lente. Chamada de óptica Wolter-I, essas lentes consistem em vários invólucros cilíndricos, cada um ligeiramente menor do que o outro, postos uns dentro dos outros. O resultado parece um pouco com as camadas de uma cebola cilíndrica (se existisse tal coisa), com pequenos intervalos entre as camadas.

Os raios X que atingem a lente passam entre essas camadas, que guiam os raios X para a superfície focal. Não se trata exatamente de uma lente, em termos estritos, porque os raios X se refletem nas superfícies, em vez de atravessar-lhes, como acontece com a luz que passa por uma lente de vidro. Mas o resultado final é o mesmo.

Raios inexplorados

A óptica Wolter-I do NUSTAR tem um revestimento especial, com precisão atômica, que permite que suas camadas reflitam os raios X com energias de até 79 keV.

Harrison e seus colegas passaram anos aperfeiçoando as delicadas técnicas de fabricação para conseguir fazer essas camadas com tamanha precisão. Juntamente com um novo sensor capaz de tolerar essas altas energias, estas camadas finamente trabalhadas são o que permitirá o NUSTAR fotografar esses raios X de alta intensidade até hoje relativamente inexplorados.

E as descobertas não vão se limitar às supernovas. Os raios X de alta energia são emitidos por muitos dos fenômenos mais extremos do Universo, incluindo os buracos negros e os blazares – corpos celestes com uma fonte de energia extremamente compacta e altamente variável.

O NUSTAR nos dará uma nova janela para essa faceta tão extrema do Universo.

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