Explosão estelar gigante é tão poderosa que não deixa nada para trás

Uma supernova - a morte explosiva de uma estrela - é sempre violenta, lançando material para o espaço e geralmente deixando para trás um remanescente estelar compacto, como uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Mas algumas supernovas envolvendo as maiores estrelas do cosmos podem ser tão imensamente poderosas que não deixam absolutamente nada para trás.

Desde a década de 1960, os cientistas teorizam sobre a existência dessas supernovas ultra-poderosas e agora obtiveram evidências delas – ainda que indiretas – em pesquisas envolvendo buracos negros e ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.

Prevê-se que essas supernovas ocorram nas estrelas mais massivas – aquelas com massa entre 140 e 260 vezes maior que a do Sol, de acordo com Hui Tong, doutorando em astrofísica na Universidade Monash, na Austrália, e principal autor do estudo publicado na revista Nature.

"Apesar de sua enorme massa, elas têm vidas relativamente curtas, de cerca de alguns milhões de anos. Para efeito de comparação, o Sol viverá cerca de 10 bilhões de anos, então essas estrelas se extinguem aproximadamente mil vezes mais rápido - como um enorme fogo de artifício que queima intensamente e brevemente antes de explodir", disse Tong.

A explosão de estrelas grandes com uma determinada massa deixa para trás uma estrela de nêutrons, um núcleo estelar compacto e colapsado. Algumas estrelas ainda maiores, ao explodirem, deixam para trás um buraco negro, um objeto excepcionalmente denso com gravidade tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar. O buraco negro retém uma parte da massa original da estrela, enquanto o restante é lançado para o espaço.

Neste estudo, os pesquisadores analisaram dados de 153 pares de buracos negros, conhecendo sua massa com base nas ondas gravitacionais que emitiam, e então separaram os buracos negros que se formaram através da fusão anterior de dois buracos negros menores .

O que os pesquisadores detectaram em seguida foi a ausência de buracos negros com massa entre cerca de 44 e 116 vezes a massa do Sol, o que eles chamaram de "faixa proibida".

Essa ausência, disseram eles, pode ser melhor explicada se as estrelas maiores, que se esperaria que deixassem para trás buracos negros nessa faixa de massa, fossem, em vez disso, obliteradas no final de sua vida útil em um tipo raro de explosão chamada supernova de instabilidade de pares, não deixando vestígios.

"Uma supernova de instabilidade de pares é um dos tipos mais violentamente explosivos de morte estelar", disse a astrofísica e coautora do estudo Maya Fishbach, do Instituto Canadense de Astrofísica Teórica da Universidade de Toronto.

"Na maioria dos casos, estrelas massivas criam buracos negros. Quanto mais massiva a estrela, mais pesado o buraco negro", disse Fishbach, até que as estrelas atinjam um certo limite de massa, além do qual a física de sua morte explosiva determina que não reste nenhum remanescente estelar.

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Essas estrelas gigantes evoluem de maneira semelhante a outras estrelas massivas no início, queimando hidrogênio e hélio e construindo um grande núcleo composto principalmente de carbono e oxigênio. Para que o núcleo permaneça estável, é necessário um equilíbrio entre a pressão gravitacional interna e a liberação de energia externa — no caso dessas estrelas, fótons de alta energia, as partículas que compõem a luz.

Mas, nas temperaturas extremas presentes no interior dessas estrelas, alguns dos fótons se convertem em pares de partículas subatômicas chamadas elétrons e pósitrons, enfraquecendo assim a pressão externa que ajudava a manter a estabilidade do núcleo. Esses pares de partículas e a instabilidade que causam explicam o nome dessa classe de supernovas.

"O núcleo torna-se instável, levando a um colapso descontrolado e, em seguida, a uma violenta explosão termonuclear que despedaça a estrela", disse Tong.

Embora essas supernovas tenham sido previstas pela primeira vez há seis décadas, disse Fishbach, "elas são raras e difíceis de encontrar e identificar".

Cientistas observaram um tipo de explosão estelar chamada supernova superluminosa , que é candidata a ser uma supernova de instabilidade de pares. Essas explosões podem ser mais de 10 bilhões de vezes mais luminosas que o Sol. Mas, por enquanto, as evidências apresentadas neste estudo podem ser a melhor indicação já obtida sobre a existência de supernovas de instabilidade de pares.

"Estamos essencialmente usando algo invisível, buracos negros, como um registro de algumas das explosões mais brilhantes do universo", disse Tong.