Explosão em uma estrela anã branca observada pela primeira vez

Impressão artística de uma anã branca explodindo. Crédito: Universidade de Tübingen

Quando estrelas como o nosso Sol ficam sem combustível, elas se contraem para formar anãs brancas. Essas estrelas mortas às vezes podem voltar à vida em uma explosão super quente e produzir uma bola de fogo de radiação de raios-X. Uma equipe de pesquisa de vários institutos alemães, incluindo a Universidade de Tübingen e liderada por Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), observou agora essa explosão de luz de raios-X pela primeira vez.

“Foi até certo ponto uma coincidência feliz, realmente”, explica Ole König, do Instituto Astronômico da FAU no observatório Dr. Karl Remeis em Bamberg, que publicou um artigo sobre essa observação na conceituada revista Nature, juntamente com o Prof. Dr. Jörn Wilms e uma equipe de pesquisa do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, da Universidade de Tübingen, da Universitat Politécnica de Catalunya em Barcelona e do Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam. “Esses flashes de raios X duram apenas algumas horas e são quase impossíveis de prever, mas o instrumento de observação deve ser apontado diretamente para a explosão no momento exato”, explica o astrofísico.

O instrumento neste caso é o telescópio de raios X eROSITA, que atualmente está localizado a um milhão e meio de quilômetros da Terra e pesquisa o céu em busca de raios X suaves desde 2019. Em 7 de julho de 2020, mediu fortes X- radiação de raios em uma área do céu que era completamente imperceptível quatro horas antes. Quando o telescópio de raios X pesquisou a mesma posição no céu quatro horas depois, a radiação havia desaparecido. Segue-se que o flash de raios-X que anteriormente havia superexposto completamente o centro do detector deve ter durado menos de oito horas.

Explosões de raios-X como essa foram previstas por pesquisas teóricas há mais de 30 anos, mas nunca foram observadas diretamente até agora. Essas bolas de fogo de raios-X ocorrem na superfície de estrelas que eram originalmente comparáveis ​​em tamanho ao Sol antes de usar a maior parte de seu combustível feito de hidrogênio e depois hélio no interior de seus núcleos. Esses cadáveres estelares encolhem até permanecerem “anãs brancas”, que são semelhantes à Terra em tamanho, mas contêm uma massa que pode ser semelhante à do nosso Sol. “Uma maneira de imaginar essas proporções é pensar que o Sol tem o mesmo tamanho de uma maçã, o que significa que a Terra teria o mesmo tamanho de uma cabeça de alfinete orbitando em torno da maçã a uma distância de 10 metros”, explica Jörn Wilms.

“Essas chamadas novas acontecem o tempo todo, mas detectá-las durante os primeiros momentos em que a maior parte da emissão de raios-X é produzida é muito difícil”, acrescenta o Dr. Victor Doroshenko da Universidade de Tübingen. “Não apenas a curta duração de um flash é um desafio, mas também o fato de que o espectro de raios X emitidos é muito suave. Os raios X moles não são muito energéticos e facilmente absorvidos pelo meio interestelar, então não podemos ver muito longe nesta faixa, o que limita o número de objetos observáveis, seja uma nova ou uma estrela comum. Os telescópios são normalmente projetados para serem mais eficazes em raios-X mais difíceis, onde a absorção é menos importante, e essa é exatamente a razão pela qual eles perderiam um evento como esse!” conclui Victor Doroshenko.

Cadáveres estelares se assemelham a pedras preciosas

Por outro lado, se você encolhesse uma maçã para o tamanho de uma cabeça de alfinete, essa minúscula partícula reteria o peso comparativamente grande da maçã. “Uma colher de chá de matéria do interior de uma[{” attribute=””>white dwarf easily has the same mass as a large truck,” Jörn Wilms continues. Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space. These objects in the form of precious gems are so hot they glow white. However, the radiation is so weak that it is difficult to detect from Earth.

Unless the white dwarf is accompanied by a star that is still burning, that is, and when the enormous gravitational pull of the white dwarf draws hydrogen from the shell of the accompanying star. “In time, this hydrogen can collect to form a layer only a few meters thick on the surface of the white dwarf,” explains FAU astrophysicist Jörn Wilms. In this layer, the huge gravitational pull generates enormous pressure that is so great that it causes the star to reignite. In a chain reaction, it soon comes to a huge explosion during which the layer of hydrogen is blown off. The X-ray radiation of an explosion like this is what hit the detectors of eROSITA on July 7, 2020, producing an overexposed image.

“The physical origin of X-ray emission coming white dwarf atmospheres is relatively well understood, and we can model their spectra from first principles and in exquisite detail. Comparison of models with observations allows then to learn basic properties of these objects such as weight, size, or chemical composition” explains Dr. Valery Suleimanov from Tübingen University. “The problem in this particular case was, however, that, after 30 years with no photons we suddenly had too many, which distorted the spectral response of eROSITA, which was designed to detect millions of very faint objects rather than one but very bright” adds Victor Doroshenko.

“Using the model calculations, we originally drew up while supporting the development of the X-ray instrument, we were able to analyze the overexposed image in more detail during a complex process to gain a behind-the-scenes view of an explosion of a white dwarf, or nova,” explains Jörn Wilms.

According to the results, the white dwarf has around the mass of our Sun and is therefore relatively large. The explosion generated a fireball with a temperature of around 327,000 degrees K (588,000 degrees F), making it around sixty times hotter than the Sun. “These parameters were obtained by combining models of X-ray radiation with the models of radiation emitted by very hot white dwarfs created in Tübingen by Valery Suleimanov and Victor Doroshenko, and very deep analysis of instrument response in a regime far outside specifications carried out at FAU and MPE. I think it illustrates very nicely the importance of collaboration in modern science, and wide range of expertise within the German eROSITA consortium” adds Prof. Dr. Klaus Werner from Tübingen University.

Since these novae run out of fuel quite quickly, they cool rapidly and the X-ray radiation becomes weaker until it eventually becomes visible light, which reached Earth half a day after the eROSITA detection and was observed by optical telescopes.

“A seemingly bright star then appeared, which was actually the visible light from the explosion, and so bright that it could be seen on the night sky by the bare eye,” explains Ole König. Seemingly “new stars” such as this one have been observed in the past and were named “nova stella,” or “new star” on account of their unexpected appearance. Since these novae are only visible after the X-ray flash, it is very difficult to predict such outbreaks and it is mainly down to chance when they hit the X-ray detectors.

“We were really lucky,” says Ole König.

Reference: “X-ray detection of a nova in the fireball phase” by Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber and Klaus Werner, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04635-y