E, depois de engolir facilmente Mercúrio, Vênus e a Terra, ele crescerá
tanto que não poderá mais manter suas camadas mais externas de gás e
poeira.
Em um desenlace glorioso, nosso Sol irá lançar essas camadas para o
espaço, formando um belo véu de luz, que brilhará como um sinal de néon
por milhares de anos até desvanecer.
Nossa galáxia está cravejada de milhares desses memoriais que parecem joias, conhecidos como nebulosas planetárias.
Elas representam a fase final habitual da vida de estrelas com tamanhos
que variam da metade até oito vezes a massa do Sol. Já as estrelas com
massa maior têm um fim muito mais violento — uma explosão conhecida como
supernova.
As nebulosas planetárias têm uma variedade extraordinária de formas,
como sugerem seus nomes — o Caranguejo do Sul, o Olho de Gato e a
Borboleta, por exemplo.
Mas, por mais bonitas que sejam, elas também são um mistério para os
astrônomos. Como pode surgir uma borboleta cósmica do casulo redondo
aparentemente indefinido de uma estrela gigante vermelha?
Observações e modelos criados por computador estão agora indicando uma
explicação que teria parecido extravagante 30 anos atrás: a maioria das
gigantes vermelhas tem uma estrela secundária muito menor, escondida no
seu campo gravitacional.
Esta segunda estrela molda a transformação da estrela principal em uma
nebulosa planetária, da mesma forma que um ceramista molda um vaso na
roda de oleiro.
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O novo Telescópio Espacial James Webb, da Nasa, revelou detalhes
extraordinários da Nebulosa do Anel do Sul — Foto: NASA/ESA/CSA/STSCI
Acima,
à esquerda, uma imagem de infravermelho próximo mostra espetaculares
anéis de gás concêntricos na Nebulosa do Anel do Sul, uma nebulosa
planetária que fica a cerca de 2,5 mil anos-luz de distância da Terra,
na constelação da Vela. Os anéis contam a história das explosões da
estrela que está morrendo.
À
direita, uma imagem de infravermelho médio distingue facilmente a
estrela que está morrendo, no centro da nebulosa (em vermelho), da sua
estrela secundária (em azul). Todo o gás e poeira da nebulosa foi
expelido pela estrela vermelha.
A teoria dominante sobre a formação das nebulosas planetárias envolvia
anteriormente uma única estrela, a própria gigante vermelha. Com força
gravitacional fraca nas suas camadas externas, ela perde massa com muita
rapidez perto do final da vida — até 1% por século.
Ela também se agita como uma panela de água fervente abaixo da
superfície, fazendo com que as camadas externas pulsem para dentro e
para fora. Os astrônomos apresentaram a teoria de que essas pulsações
produzem ondas de choque que lançam jatos de gás e poeira para o espaço,
criando o chamado vento estelar.
Mas muita energia é necessária para expelir esse material completamente
sem que ele caia de volta sobre a estrela. Esse vento não pode ser uma
brisa suave; precisa ter a força de um jato de foguete.
Depois do escape da camada externa da estrela, a camada interna, que é
muito menor, entra em colapso e se torna uma anã branca. Esta estrela,
que é mais quente e brilhante que a gigante vermelha que a originou,
ilumina e aquece o gás que escapou, até que ele comece a brilhar sozinho
— e assim vemos uma nebulosa planetária.
Todo esse processo é muito rápido nos padrões astronômicos, embora
lento para os padrões humanos. Normalmente, leva de alguns séculos até
milênios.
Até o lançamento do Telescópio Espacial Hubble, em 1990, "nós tínhamos
bastante certeza de que estávamos no caminho certo" para compreender
este processo, segundo afirma o astrônomo Bruce Balick, da Universidade
de Washington, nos Estados Unidos.
Balick e seu colega Adam Frank, da Universidade de Rochester em Nova
York, também nos EUA, compareceram a uma conferência na Áustria e viram
as primeiras fotografias de nebulosas planetárias tiradas pelo Hubble.
"Nós saímos para tomar café, vimos as imagens e sabíamos que o jogo havia mudado", relembra Balick.
Os astrônomos acreditavam que as gigantes vermelhas eram esfericamente
simétricas e que estrelas redondas deveriam produzir nebulosas
planetárias também redondas. Mas o que o Hubble viu não chegava nem
perto disso.
"Ficou óbvio que muitas nebulosas planetárias têm estruturas
axissimétricas exóticas", afirma o astrônomo Joel Kastner, do Instituto
de Tecnologia de Rochester, nos EUA.
O Hubble revelou lóbulos, asas e outras estruturas fantásticas que não
eram redondas — mas, sim, simétricas em relação ao eixo principal da
nebulosa, como se girassem naquela roda de oleiro.
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Acreditava-se inicialmente que a Nebulosa do Caranguejo do Sul tinha
quatro "patas" como um caranguejo, mas imagens modernas revelam uma nova
composição — Foto: NASA/ESA/A. FEILD/STSCI
A
imagem acima, captada pelo Telescópio Espacial Hubble, revela que a
Nebulosa do Caranguejo do Sul não tem quatro patas, mas sim duas bolhas.
O centro das bolhas revela dois jatos de gás com "nós" que podem se
iluminar quando encontram o gás entre as estrelas. Localizado a milhares
de anos-luz da Terra, na constelação de Centauro, o Caranguejo do Sul
parece ter passado por dois eventos de liberação de gás. Um deles, há
cerca de 5,5 mil anos, criou uma ampulheta externa, enquanto um evento
similar, 2,3 mil anos atrás, criou uma interna, muito menor.
Companheira oculta
Um artigo de Balick e Frank publicado em 2002 pela revista científica
Annual Review of Astronomy and Astrophysics documentou o debate
existente na época sobre a origem dessas estruturas.
Alguns cientistas propunham que a simetria axial era derivada da forma
de rotação da estrela gigante vermelha ou do comportamento dos seus
campos magnéticos, mas ambas as ideias não atendiam a alguns testes
fundamentais. A rotação e os campos magnéticos devem enfraquecer com o
crescimento da estrela, mas a velocidade de perda de massa das gigantes
vermelhas aumenta no fim da vida.
A outra hipótese era que a maior parte das nebulosas planetárias é
formada não por uma estrela, mas por um par de estrelas — o que a
astrônoma Orsola De Marco, da Universidade Macquarie em Sydney, na
Austrália, chamou de "hipótese binária".
Neste cenário, a segunda estrela é muito menor e milhares de vezes
menos brilhante que a gigante vermelha. E pode estar à mesma distância
entre Júpiter e o Sol. Isso permitiria que ela afetasse a gigante
vermelha a uma distância suficiente para não ser engolida.
Existem também outras possibilidades, como uma órbita irregular, na
qual a segunda estrela se aproximaria da gigante vermelha em intervalos
de algumas centenas de anos, retirando camadas da estrela principal.
De qualquer forma, a hipótese binária é uma ótima explicação para o
primeiro estágio da metamorfose de uma estrela que está morrendo. Como a
estrela secundária afasta os gases e a poeira da estrela primária, eles
não são imediatamente sugados para a secundária — mas formam um disco
de material rodopiante, conhecido como disco circunstelar, no plano
orbital da secundária.
Esse disco circunstelar é a roda do oleiro.
Se o disco tiver um campo magnético, ele impulsionará todos os gases
carregados para fora do plano do disco, em direção ao eixo de rotação.
Mas, mesmo sem campo magnético, o material do disco impede o fluxo
externo de gases no plano orbital, de forma que o gás assumirá uma
estrutura bilobular, com fluxo mais rápido em direção aos polos.
E é exatamente isso que o Hubble viu nas suas imagens de nebulosas planetárias.
"Por que procurar uma explicação muito complicada se a estrela secundária é uma interpretação tão boa?", questiona De Marco/i.s3.glbimg.com/v1/AUTH_59edd422c0c84a879bd37670ae4f538a/internal_photos/bs/2022/B/q/sVm5uqRAKXMoWZ1sZkbw/foto-4.png)
À esquerda: Nebulosa do Jato Duplo; à direita: Nebulosa do Olho de Gato
— Foto: J. SCHMIDT/NASA/ESA/HUBBLE LEGACY ARCHIVE/CHANDRA
Na
imagem à esquerda, a Nebulosa do Jato Duplo, a 2,4 mil anos-luz da
Terra, na constelação de Serpentário (Ophiuchus), tem forma de
ampulheta, com dois jatos de gás movendo-se rapidamente em direção aos
polos. O gás provavelmente foi lançado pela estrela central há cerca de
1,2 mil anos.
Na
imagem à direita, a Nebulosa do Olho de Gato, a 3,3 mil anos-luz da
Terra, na constelação do Dragão, exibe 11 anéis concêntricos de poeira,
que os astrônomos estimam terem sido liberados em intervalos de 1,5 mil
anos. O processo de formação da intrincada estrutura interna ainda é
desconhecido.
Ver para crer
Mas a ideia das estrelas secundárias indetectáveis não foi bem recebida por alguns astrônomos.
A astrônoma Leen Decin, da Universidade Católica de Leuven, na Bélgica,
conta que, em 2020, um famoso astrofísico disse a ela: "Sabe, Leen,
tudo parece tão fantástico, as observações são tão fascinantes, os
modelos de última geração atuais parecem fazer um trabalho muito bom
para interpretar os dados, mas, no fundo, nós não deveríamos acreditar
apenas no que realmente podemos ver?"
Ao longo dos últimos 10 a 15 anos, os ventos mudaram de forma
consistente. Novos e inovadores telescópios revelaram que algumas
gigantes vermelhas são rodeadas por estruturas em espiral e discos
circunstelares antes de se tornarem nebulosas planetárias — exatamente
como seria esperado se houvesse uma segunda estrela puxando material
para fora da gigante vermelha.
E há dois casos em que os astrônomos talvez tenham até identificado a própria estrela secundária.
Decin e seus colegas basearam seu trabalho no telescópio Alma (sigla em
inglês para Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), no Chile,
que começou a operar em 2011. O Alma consiste de 66 radiotelescópios que
trabalham juntos para produzir imagens de objetos astronômicos.
"Ele fornece resolução espacial e espectral que são importantes para compreender a dinâmica e a velocidade", explica Decin.
A velocidade é uma parte importante do quebra-cabeça para que os
cientistas mapeiem os ventos estelares e os discos circunstelares.
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Os astrônomos mapearam ventos estelares em volta de estrelas gigantes
vermelhas antes que formassem uma nebulosa planetária — Foto: KNOWABLE
MAGAZINE/L. DECIN/AR ASTRONOMY AND ASTROP
Acima,
os nomes das estrelas estão no canto superior esquerdo de cada imagem.
Os ventos que sopram para fora das estrelas criam uma série de
estruturas, como discos, espirais e "rosas", consistentes com a teoria
de que a estrela gigante vermelha tem uma estrela secundária em sua
órbita. A cor vermelha indica gases se movendo para longe do observador,
enquanto azul indica gases que se movem em direção ao observador. 1 UA é
uma unidade astronômica, ou a distância entre a Terra e o Sol.
Comparativamente, Netuno está a 30 unidades astronômicas do Sol. As
estrelas secundárias provavelmente ficam mais perto das suas estrelas
primárias do que o Sol de Netuno. Elas não são visíveis devido ao brilho
da estrela primária.
O ato final
O Alma já observou estruturas em espiral ou em forma de arco em volta
de mais de uma dúzia de estrelas gigantes vermelhas, quase certamente um
sinal de que existe matéria saindo da gigante vermelha e espiralizando
em direção à secundária. Essas espirais basicamente coincidem com as
simulações criadas por computador — e é impossível explicá-las com o
antigo modelo de vento estelar.
Decin relatou as descobertas iniciais em 2020 na revista Science — e as
expandiu no ano seguinte, na Annual Review of Astronomy and
Astrophysics.
Além disso, a equipe de Decin também pode ter identificado as
secundárias outrora não detectáveis de duas gigantes vermelhas, p1 Gruis
e L2 Puppis, em imagens do Alma. Para ter certeza, eles precisam
monitorá-las ao longo de um período de tempo, para ver se os objetos
recém-detectados estão se movendo em torno da estrela primária.
"Se eles se moverem, estou certa de que temos secundárias", afirma Decin.
E talvez esta descoberta convença os últimos céticos.
Assistir ao vivo
Como investigações de cenas de crimes, os astrônomos agora têm as
imagens de "antes" e "depois" da criação de uma nebulosa planetária. A
única coisa que falta é o equivalente às imagens das câmeras do circuito
interno de segurança do evento em si.
Existe alguma esperança de que os astrônomos possam flagrar uma gigante
vermelha no momento em que ela se torna uma nebulosa planetária?
Até o momento, os modelos computadorizados são a única forma de
"assistir" ao desdobramento do processo, que dura centenas de anos, do
início ao fim. Eles ajudaram os astrônomos a se concentrar em um cenário
dramático, no qual a estrela secundária submerge na primária após um
período prolongado orbitando e perde distância devido às forças
gravitacionais.
À medida que se espiraliza em direção ao núcleo da gigante vermelha, a
estrela secundária perde "uma imensa quantidade de energia
gravitacional", diz Frank.
Os modelos computadorizados demonstram que isso acelera enormemente o
processo por meio do qual a estrela lança suas camadas externas,
reduzindo-o a apenas de um a 10 anos. Se isso estiver certo e os
astrônomos souberem para onde olhar, eles podem presenciar a morte de
uma estrela e o nascimento de uma nebulosa planetária em tempo real.
Uma candidata que merece ser observada é a estrela V Hydrae. Esta
gigante vermelha é muito ativa e ejeta jatos de plasma como se fossem
munição em direção aos polos a cada 8,5 anos. Ela também expeliu seis
grandes anéis no seu plano equatorial ao longo dos últimos 2,1 mil anos.
O astrônomo Raghvendra Sahai, do Laboratório de Propulsão a Jato da
Nasa — que publicou a descoberta dos anéis em abril de 2022 —, acredita
que a gigante vermelha possui não uma, mas duas estrelas secundárias.
Uma estrela secundária próxima pode já estar beirando o "envelope"
circunstelar da gigante vermelha e produzindo as ejeções de plasma,
enquanto uma secundária distante em órbita irregular controla a ejeção
dos anéis. Se for este o caso, a V Hydrae pode estar perto de engolir
sua estrela secundária mais próxima.
Por fim, e o nosso Sol?
Os estudos sobre estrelas binárias podem parecer ter pouca relevância
para o destino da nossa estrela porque ela é solitária. Decin estima que
as estrelas que têm companheiras perdem massa cerca de seis a 10 vezes
mais rápido do que as solitárias, porque é muito mais eficiente uma
estrela secundária atrair a cobertura de uma gigante vermelha do que a
própria gigante vermelha lançar sua cobertura.
Isso significa que os dados sobre os sistemas estelares não podem
prever com segurança o destino de estrelas solitárias, como o Sol.
Cerca da metade das estrelas do tamanho do Sol têm estrelas secundárias
de algum tipo. Segundo Decin, a secundária sempre afetará a forma do
vento estelar, alterando significativamente a velocidade de perda de
massa se estiver suficientemente próxima.
O Sol, muito provavelmente, irá lançar sua camada externa mais
lentamente do que aquelas estrelas e permanecerá na sua fase de gigante
vermelha por muito mais tempo.
Mas ainda há muitos fatos desconhecidos sobre o ato final do Sol. Mesmo
que Júpiter não seja uma estrela, por exemplo, ele ainda pode ser
suficientemente forte para atrair material do Sol e criar um disco
circunstelar.
"Acho que teremos uma espiral muito pequena, criada por Júpiter", afirma Decin.
"Mesmo nas nossas simulações, você pode ver seu impacto sobre o vento solar."
Se for este o caso, o nosso Sol também poderá estar a caminho de um grand finale espetacular.
* Dana Mackenzie é matemática e jornalista freelancer especializada em ciências.
Este
artigo foi publicado originalmente na revista jornalística independente
Knowable, da editora americana Annual Reviews, e republicado pelo site
BBC Future sob uma licença Creative Commons.
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