Hubble mostra evidências de um aglomerado de raríssimas anãs brancas de Hélio, cinzas de minúsculas estrelas que morreram prematuramente


Uma anã branca em um sistema binário

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Como este antigo aglomerado de estrelas evoluiu?

Vinte e quatro objetos estelares incomuns, cinzas de estrelas consumidas, 18 das quais recentemente descobertas, foram observadas pelo Telescópio Espacial Hubble. Estas estrelas são anãs brancas, o destino comum de uma estrela morta, mas estas são raras porque são compostas principalmente de Hélio-4 em vez das ‘anãs brancas padrão’ compostas de carbono e oxigênio que estamos habituados a encontrar. Esta é a primeira vez que se observa uma grande série de anãs brancas com núcleo de Hélio dentro de um aglomerado globular, um denso enxame estelar que contém algumas das mais antigas estrelas em nossa galáxia.

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Por que as ‘anãs brancas de hélio’ são uma raridade no Universo?

Na evolução estelar uma estrela de pequena massa (anã vermelha), com até 0,4 M☼ (40% da massa do Sol) , quando esgota o hidrogênio de seu núcleo torna-se uma anã branca de Hélio uma vez que não tem a capacidade de passa para o estágio seguinte e realizar a nucleossíntese do hélio e formar um núcleo de carbono/oxigênio.

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Além disso, as anãs vermelhas são estrelas de alta longevidade. De fato, as anãs vermelhas que surgiram no início do Universo ainda não tiveram tempo suficiente para sair da seqüência principal e tornarem-se anãs brancas de Hélio. Por exemplo: anã vermelha com 20% M☼ levará 1 trilhão de anos na seqüência principal (vide gráfico acima), muito mais que a idade do Universo, ‘apenas’ 13,73 ± 0,12 bilhões de anos. Isso explica por que a descoberta desta série de minúsculas anãs brancas de Hélio feita pelo Hubble é incomum e mereceu atenção especial da comunidade astronômica.

Como estas anãs brancas de hélio surgiram prematuramente?

Um estudo, publicado no Astrophysical Journal, sugere que estas anãs brancas com núcleo de Hélio tiveram seu desenvolvimento abreviado devido às interações ativas com suas parceiras binárias.

O gráfico mostra o tempo de vida ('lifetime' em trilhões de anos) de uma anã vermelha em relação a sua massa (em massas solares - M☼). Uma anã vermelha de baixa massa, ~0,08M☼, pode permanecer ~12 trilhões de anos ativa. Uma anã vermelha com massa 0,25M☼ tem mais de 500 bilhões de anos de vida útil.

O gráfico mostra o tempo de vida ('lifetime' em trilhões de anos) de uma anã vermelha em relação a sua massa (em massas solares - M☼). Uma anã vermelha de baixa massa, ~0,08M☼, pode permanecer ~12 trilhões de anos ativa. Uma anã vermelha com massa 0,25M☼ tem mais de 500 bilhões de anos de vida útil.

“As anãs brancas com núcleo de Hélio têm apenas cerca de metade da massa típica das anãs brancas de carbono/oxigênio, mas encontram-se concentradas no centro do aglomerado estelar”, disse Adrienne Cool, professora da Física e de Astronomia na San Francisco State University, que é co-autora do estudo com o estudante de licenciatura Rachel R. Strickler. “Com massas tão baixas, as anãs brancas com núcleo de Hélio deveriam, de acordo com a teoria de evolução estelar, orbitar ao redor do aglomerado estelar nas suas regiões periféricas. O fato de apenas serem encontrados nas regiões centrais sugere que elas têm companheiras de maior massa – estrelas parceiras que as fixaram ao centro do aglomerado estelar”.

Estar associada a estes grandes companheiras certamente ajuda a explicar a “composição química atípica” destas estrelas. As anãs brancas são estrelas ‘aposentadas’, que chegaram ao fim da sua vida útil e ficaram sem combustível para realizar a nucleossíntese. A maioria das estrelas de pequena massa (<1,1 M☼) queima o seu combustível nuclear deixando como produto final uma densa bola de carbono e oxigênio, mas estas anãs brancas são feitas apenas de Hélio. A astrônoma Cool sugere que uma estrela candidata a se tornar prematuramente uma anã branca com núcleo de Hélio deve ter uma companheira tão perto que, quando a estrela se tornou uma estrela gigante vermelha, as suas camadas exteriores foram ‘roubadas’ por acresção pela companheira próxima. Assim, a estrela gigante que ‘emagreceu’ nunca teve a oportunidade de atingir o nível seguinte de maturidade e fundir o seu hélio do núcleo, transformando-o em carbono e oxigênio.

Relatório dos cientistas mostra as anãs brancas com núcleos de hélio descobertas no enxame globular NGC 6397. Crédito: Jay Anderson / Space Telescope Science Institute

Relatório dos cientistas mostra as raras anãs brancas com núcleos de hélio descobertas no enxame globular NGC 6397. Crédito: Jay Anderson / Space Telescope Science Institute

O estudo focalizou o aglomerado estelar NGC 6397, um dos aglomerados globulares mais próximos de nós, que reside a aproximadamente 7.200 anos-luz de distância da Terra. Antes do estudo, seis anãs brancas de Hélio já haviam sido detectadas neste aglomerado. Cool e os seus colegas descobriram as três primeiras em 1998.

“Esta é a primeira vez que estrelas anãs brancas com núcleos de hélio foram descobertas em parcerias com outras anãs brancas em aglomerado globular,” disse Cool. “Esta grande amostra nos permite responder algumas perguntas sobre a massa e a natureza da estrela parceira e sobre a dominância deste tipo de binárias em um aglomerado globular”.

As estrelas binárias desempenham um papel importante na evolução dos aglomerados de estrelas. A sua contínua dança entre os pares, uma ao redor da outra, fornece energia para o aglomerado a qual os astrônomos acham que ajuda a prevenir a formação de buracos negros. A partir dos dados, Cool e sua equipe são capazes de inferir que até 5% das estrelas deste aglomerado globular vão terminar a sua vida como estrelas anãs brancas com núcleo de hélio com estrelas companheiras, uma descoberta que ajudará a melhorar os modelos teóricos da dinâmica dos aglomerados estelares e melhorar o entendimento sobre a evolução das estrelas de baixa massa.

Esta descoberta acabou trazendo consigo novo mistério. Apesar do alto nível de sensibilidade da câmara do Hubble, não foram detectadas anãs brancas com núcleos de Hélio do tipo mais tênue.

“É possível que estas anãs brancas com núcleos de Hélio esfriem tão lentamente que ainda não houve tempo hábil que permita a formação dos tipos de brilho fraco”, disse Cool. Outra possibilidade aventada é que os binários mais antigos que continham anãs brancas com núcleos de Hélio tenham sido destruídos pelas interações com outras estrelas do aglomerado.

Fontes e referências:

Universe Today: Hubble Discovers a Strange Collection of White Dwarf… Dwarfs por Ian O’Neill

EurekAlert!: Largest collection of anomalous white dwarfs observed in new Hubble images

Os últimos estágios da evolução das estrelas de pequena massa

Cosmic weight loss: The lowest mass white dwarf

ArXiv.org: A Helium White Dwarf of Extremely Low Mass

Na animação vemos a evolução das estrelas de pequena massa (<1,1 M). Para as estrelas com massa menor que 40% M, o segundo estágio da nucleossíntese do Hélio não acontece a estrela torna-se uma anã-branca de Hélio. As estrelas maiores conseguem atingir o segundo estágio e geram um núcleo de carbono/oxigênio.

Nesta animação (dê um clique para ver) temos a evolução das estrelas de pequena massa (<1,1 M☼). Para as estrelas com massa menor que 40% M☼, o segundo estágio da nucleossíntese do Hélio não acontece a estrela torna-se uma anã-branca de Hélio. As estrelas maiores conseguem atingir o segundo estágio e geram um núcleo de carbono/oxigênio.

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