Alex Filippenko é o tipo de pessoa que leva um telescópio para uma festa. Fiel a si próprio, num jantar a 18 de maio deste ano, impressionou os seus anfitriões com imagens de enxames de estrelas e galáxias coloridas - incluindo a dramática galáxia espiral do Cata-vento (M101) - e tirou astrofotografias de cada um dos objetos.

Só ao fim da tarde seguinte é que soube que uma supernova brilhante tinha acabado de ser descoberta na Galáxia do Cata-vento. E eis que ele também a tinha captado, às 23 horas da noite anterior - 11 horas e meia antes da descoberta da explosão, a 19 de maio, pelo astrónomo amador Koichi Itagaki, no Japão.

Filippenko, professor de astronomia na Universidade da Califórnia, em Berkeley, o estudante Sergiy Vasylyev e o pós-doutorado Yi Yang, algumas horas mais tarde, abandonaram as observações planeadas no Observatório Lick da Universidade da Califórnia, no Monte Hamilton, para se concentrarem na estrela que explodiu, que tinha sido apelidada de SN 2023ixf. Eles e centenas de outros astrónomos estavam ansiosos por observar a supernova mais próxima desde 2014, a apenas 21 milhões de anos-luz da Terra.

Estas observações foram as medições mais iniciais de sempre da luz polarizada de uma supernova, mostrando mais claramente a forma, em evolução, de uma explosão estelar. A polarização da luz de fontes distantes, como supernovas, fornece a melhor informação sobre a geometria do objeto que emite a luz, mesmo para eventos que não podem ser resolvidos espacialmente.

"Algumas estrelas, antes de explodirem, passam por ondulações - um comportamento irregular que ejeta suavemente algum do material - de modo que, quando a supernova explode, a onda de choque ou a radiação ultravioleta faz com que o material brilhe", disse Filippenko. "O mais interessante da espetropolarimetria é que obtemos algumas indicações sobre a forma e a extensão do material circunstelar".

Os dados da espetropolarimetria contaram uma história em linha com os cenários atuais para os anos finais de uma estrela supergigante vermelha cerca de 10 a 20 vezes mais massiva do que o nosso Sol: a energia da explosão iluminou as nuvens de gás que a estrela libertou durante os anos anteriores; a ejeção perfurou então este gás, inicialmente perpendicular à maior parte do material circunstelar; e finalmente, a ejeção engoliu o gás circundante e evoluiu para uma nuvem de detritos em rápida expansão, mas simétrica.

A explosão, uma supernova do Tipo II resultante do colapso do núcleo de ferro de uma estrela massiva, presumivelmente deixou para trás uma densa estrela de neutrões ou um buraco negro. Estas supernovas são utilizadas como velas calibráveis para medir as distâncias a galáxias distantes e para mapear o cosmos.

Outro grupo de astrónomos liderado por Ryan Chornock, professor adjunto de astronomia da UC Berkeley, recolheu dados espectroscópicos utilizando o mesmo telescópio no Observatório Lick. O estudante Wynn Jacobson-Galán e a professora Raffaella Margutti analisaram os dados para reconstruir a história pré e pós-explosão da estrela e encontraram evidências de que esta tinha libertado gás durante os três a seis anos anteriores ao colapso e explosão. A quantidade de gás libertado ou ejetado antes da explosão pode corresponder a 5% da sua massa total - o suficiente para criar uma densa nuvem de material através da qual a ejeção da supernova teve de lavrar.

"Penso que esta supernova vai fazer-nos pensar muito mais detalhadamente sobre as subtilezas de toda a população de supergigantes vermelhas que perdem muito material antes da explosão e desafiar as nossas suposições sobre a perda de massa", disse Jacobson-Galán. "Este foi um laboratório perfeito para compreender mais pormenorizadamente a geometria destas explosões e a geometria da perda de massa, algo que já nos fazia sentir ignorantes."

Uma melhor compreensão da forma como as supernovas de Tipo II evoluem pode ajudar a aperfeiçoar a sua utilização como medidas de distância no Universo em expansão, disse Vasylyev.

Os dois artigos científicos que descrevem estas observações foram aceites para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters. Margutti e Chornock são coautores de ambos os artigos.

Uma das supernovas mais estudadas até à data

Nos mais de três meses que decorreram desde que a luz da supernova chegou à Terra, foram submetidos ou publicados cerca de três dúzias de artigos científicos sobre a mesma e mais virão à medida que a luz da explosão continua a chegar e que as observações de uma variedade de telescópios são analisadas.

Uma imagem da supernova SN 2023ixf obtida pelo KAIT (Katzman Automatic Imaging Telescope) no Observatório Lick. Crédito: WeiKang Zheng e Alex Filippenko/UC Berkeley

"No mundo das supernovas de Tipo II, é muito raro serem detetados basicamente todos os comprimentos de onda, desde os raios X, passando pelo ultravioleta, ótico, infravermelho próximo, rádio e pelos milimétricos. Trata-se, portanto, de uma oportunidade rara e única", disse Margutti, professora de física e de astronomia em Berkeley. "Estes artigos científicos são o começo de uma história, o primeiro capítulo. Agora estamos a escrever os outros capítulos da história dessa estrela".

"A grande questão aqui é que queremos relacionar o modo como uma estrela vive com a forma como uma estrela morre", disse Chornock. "Dada a proximidade deste acontecimento, ele permitir-nos-á desafiar as hipóteses simplificadoras que temos de fazer na maioria das outras supernovas que estudamos. Temos uma tal riqueza de pormenores que vamos ter de descobrir como encaixar tudo para compreender este objeto em particular, o que nos ajudará a compreender o Universo em geral".

Os telescópios do Observatório Lick, situados no topo do Monte Hamilton, perto de San Jose, no estado norte-americano da Califórnia, foram fundamentais para os esforços dos astrónomos no sentido de obterem uma imagem completa da supernova. O espetrógrafo Kast no telescópio Shane de 120 polegadas é capaz de mudar rapidamente de um espetrómetro normal para um espetropolarímetro, o que permitiu a Vasylyev e a Filippenko obterem medições do espetro e da sua polarização. O grupo liderado por Jacobson-Galán, Chornock e Margutti utilizou tanto o espetrógrafo Kast como o fotómetro do telescópio Nickel de 40 polegadas, com fotometria (medições de brilho) também do telescópio Pan-STARRS no Hawaii através da colaboração YSE (Young Supernova Experiment).

A polarização da luz emitida por um objeto - ou seja, a orientação do campo elétrico da onda eletromagnética - contém informação sobre a forma do objeto. A luz de uma nuvem esfericamente simétrica, por exemplo, não seria polarizada porque os campos elétricos cancelam-se simetricamente. A luz de um objeto alongado, no entanto, produziria uma polarização diferente de zero.

Embora as medições de polarimetria das supernovas já sejam feitas há mais de três décadas, poucas supernovas estão suficientemente perto - e são, portanto, suficientemente brilhantes - para tais medições. E nenhuma outra supernova foi observada tão cedo quanto 1,4 dias pós-explosão, como no caso de SN 2023ixf.

As observações revelaram algumas surpresas.

"A coisa mais excitante é que esta supernova mostra uma polarização contínua muito elevada, quase 1%, nos primeiros tempos", disse Vasylyev. "Parece um número pequeno, mas na verdade é um enorme desvio da simetria esférica".

Os astrónomos da Universidade da Califórnia em Berkeley deduziram estes três passos na evolução da explosão a partir da mudança de polarimetria que observaram no Observatório Lick. Antes de cerca de 2,5 dias após a explosão, o material ejetado da supernova ainda estava encerrado no meio circunstelar denso e asférico (esquerda). Depois, entre os dias 2,5 e 4,6, o material asférico da supernova emergiu (centro), expandindo-se gradualmente após o dia 4,6 para engolir o material circundante (direita). Crédito: Sergiy Vasylyev, Yi Yang e Alex Filippenko/UC Berkeley

Com base na mudança de intensidade e direção da polarização, os investigadores foram capazes de identificar três fases distintas na evolução da estrela que explodiu. Entre um e três dias após a explosão, a luz era dominada por emissão no meio circunstelar, talvez um disco de material ou uma bolha de gás libertada anteriormente pela estrela. Isto deve-se à ionização do gás circundante pela luz ultravioleta e pelos raios X da explosão e pelo material estelar que atravessa o gás, a chamada ionização de choque.

"Desde o início, estamos a dizer que a maior parte da luz que estamos a ver provém de uma espécie de meio circunstelar não esférico que está confinado algures até 30 UA", disse Yang. Uma unidade astronómica (UA), a distância média entre a Terra e o nosso Sol, equivale a 150 milhões de quilómetros.

Aos 3,5 dias, a polarização caiu rapidamente para metade e, um dia depois, deslocou-se quase 70 graus, o que implica uma mudança abrupta na geometria da explosão. Interpretam este momento, 4,6 dias após a explosão, como o momento em que o material ejetado da explosão estelar se separou do denso material circunstelar.

"Essencialmente, envolve o material circunstelar e obtém-se esta geometria em forma de amendoim", disse Vasylyev. "A intuição é que o material no plano equatorial é mais denso e a ejeção torna-se mais lenta e o caminho de menor resistência será em direção ao eixo onde há menos material circunstelar. É por isso que se obtém esta forma de amendoim alinhada com o eixo preferencial através do qual explode".

A polarização manteve-se inalterada entre o 5.º e o 14.º dia após a explosão, o que implica que o material ejetado em expansão tinha dominado a região mais densa do gás circundante, permitindo que a emissão dos detritos dominasse a luz da ionização de choque.

Ionização de choque

A evolução espetroscópica concordou aproximadamente com este cenário, disse Jacobson-Galán. Jacobson-Galán e a sua equipa observaram emissões do gás que rodeava a estrela cerca de um dia após a explosão, provavelmente produzidas quando o material ejetado embateu no meio circunstelar e produziu radiação ionizante que fez com que o gás circundante emitisse luz. As medições espetroscópicas da luz desta ionização de choque mostraram linhas de emissão de hidrogénio, hélio, carbono e azoto, o que é típico das supernovas de colapso do núcleo.

O espetro ótico da supernova 2,6 dias após a explosão inicial, quando os detritos estelares estavam a atravessar o gás à volta da estrela. O gráfico da intensidade da luz vs. comprimento de onda mostra picos ou linhas de emissão de elementos ionizados no material circunstelar iluminado pela onda de choque da supernova. Estas elementos da emissão - hidrogénio, hélio, carbono e azoto - são característicos das supernovas de colapso do núcleo, mas desvanecem à medida que a supernova se desloca para material circunstelar de menor densidade. Crédito: Wynn Jacobson-Galán, Ryan Chornock, Raffaella Margutti/UC Berkeley

As emissões produzidas pela ionização de choque continuaram durante cerca de oito dias, após os quais diminuíram, indicando que a onda de choque se tinha deslocado para uma área menos densa do espaço, com pouco gás para ionizar e reemitir, à semelhança do que Vasylyev e Filippenko observaram.

Margutti realçou que outros astrónomos olharam para imagens de arquivo da Galáxia do Cata-vento e encontraram várias ocasiões em que a estrela progenitora aumentou de brilho nos anos anteriores à explosão, sugerindo que a supergigante vermelha libertou gás repetidamente. Isto é consistente com as observações do seu grupo de material ejetado da explosão a atravessar este gás, embora estimem uma densidade cerca de 1000 vezes inferior à implícita nas ondulações pré-explosão.

A análise de outras observações, incluindo medições de raios X, poderá resolver esta questão.

"Esta é uma situação muito especial em que sabemos o que a progenitora estava a fazer antes, porque a vimos a oscilar lentamente e temos tudo o que precisamos para tentar reconstruir a geometria do meio circunstelar", disse. "E sabemos de facto que não pode ser esférica. Se juntarmos os raios X radiantes com o que o Wynn encontrou e o que o Sergiy e o Alex estão a encontrar, poderemos ter uma imagem completa da explosão".

Os astrónomos reconheceram a ajuda de inúmeros investigadores e estudantes que abdicaram do seu tempo de observação no Lick para permitir que as equipas se concentrassem na supernova SN 2023ixf e a assistência observacional de Thomas Brink, especialista em astronomia da UC Berkeley.

A fotografia da Galáxia do Cata-vento e da supernova obtida no dia 18 de maio por Alex Filippenko, mais de 11 horas antes de ser descoberta. Filippenko, que captou a foto com o seu telescópio Unistellar eVscope, só se apercebeu da supernova após a descoberta de SN 2023ixf ter sido anunciada no dia 19 de maio. A supernova é o objeto ténue assinalado com a pequena seta, localizado na zona periférica da galáxia. Crédito: Alex Filippenko/UC Berkeley

Filippenko captou a sua primeira fotografia de SN 2023ixf com um Unistellar eVscope, que se tornou popular entre os amadores porque o telescópio subtrai a luz de fundo, permitindo assim a observação noturna em áreas como cidades, com muita poluição luminosa. Ele e 123 outros astrónomos - na sua maioria amadores - que utilizam telescópios Unistellar publicaram recentemente as suas primeiras observações da supernova.

"Esta observação fortuita, obtida durante a realização de ações de divulgação pública em astronomia, mostra que a estrela explodiu consideravelmente mais cedo do que quando Itagaki a descobriu", disse, acrescentando em tom de brincadeira: "Eu devia ter examinado imediatamente os meus dados!"

// Universidade da Califórnia, Berkeley (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)

Quer saber mais?

SN 2023ixf:
Wikipedia
Transient Name Server

Supernova:
Wikipedia 
Supernova do Tipo II (Wikipedia)

Supergigante vermelha:
Wikipedia

Galáxia do Cata-vento (M101):
Wikipedia
SEDS
Constellation Guide

Observatório Lick:
Página oficial
Wikipedia

Pan-STARRS:
STScI
Wikipedia