O IXPE da NASA resolve o mistério da expansão de uma supernova de 2.000 anos

Luz de uma explosão antiga, revisitada

Em algum lugar da constelação austral de Circinus, a luz de uma explosão estelar chegou à Terra pela primeira vez há cerca de 2.000 anos. Astrônomos chineses registraram o evento em 185 d.C., tornando-o a supernova documentada mais antiga da história. O remanescente dessa explosão, designado RCW 86, tem sido estudado com todos os principais observatórios de raios X desde o início da astronomia espacial, e repetidamente contrariou as expectativas. Uma nova observação do Explorador de Imagem e Polarimetria de Raios X da NASA (IXPE) revelou agora o mecanismo físico por trás de um dos comportamentos mais intrigantes do remanescente.

O achado, anunciado esta semana pela NASA, identifica o que os pesquisadores chamam de "efeito de choque refletido" na borda externa de RCW 86. O fenômeno aparece nos dados do IXPE como uma assinatura de polarização distinta no local exato em que a rápida expansão para fora do remanescente parece ter parado.

A cavidade que tornou RCW 86 incomum

Para entender o que o IXPE descobriu, ajuda entender o que tornou RCW 86 anômalo desde o início. Quando uma estrela massiva termina sua vida em uma explosão de supernova, ela lança material para fora em uma onda de choque que se expande no meio interestelar ao redor. A velocidade dessa expansão depende da densidade do material que a onda de choque encontra: material mais denso a desacelera, enquanto material de menor densidade permite que ela se expanda mais rapidamente.

O Observatório de Raios X Chandra havia identificado anteriormente uma característica incomum ao redor de RCW 86: o remanescente é cercado por uma grande cavidade de gás relativamente pouco denso, que se acredita ter sido escavada pelos ventos estelares da estrela progenitora nos milhares de anos anteriores à explosão. Essa cavidade permitiu que a onda de choque se expandisse muito mais rapidamente do que em condições interestelares normais, explicando por que RCW 86 parece inesperadamente grande para um remanescente de 2.000 anos e por que sua forma é irregular em vez da forma aproximadamente esférica típica dos remanescentes de supernova jovens.

O que o IXPE detectou na borda

A questão que permaneceu após as observações de Chandra foi o que aconteceu quando a onda de choque em expansão alcançou a borda dessa cavidade. A capacidade de polarimetria de raios X do IXPE - a capacidade de medir não apenas a intensidade dos raios X, mas também a orientação de seu campo elétrico - oferece uma ferramenta para responder a essa pergunta que as missões anteriores de raios X não tinham.

A emissão de raios X polarizados de remanescentes de supernova é produzida quando elétrons de alta energia espiralam em torno das linhas de campo magnético, um processo chamado radiação síncrotron. O padrão de polarização codifica informações sobre a geometria do campo magnético e a direção do choque. Quando uma onda de choque atinge uma parede de material mais denso, a borda da cavidade, a geometria muda de uma forma característica que o IXPE pode detectar.

A análise da equipe das novas observações do IXPE mostra exatamente essa assinatura na borda externa de RCW 86: uma região em que o padrão de polarização é consistente com um choque refletido, que ricocheteou na parede da cavidade e agora se propaga tanto para dentro quanto para fora. Esse componente refletido explica a paralisação observada da expansão para fora e preenche uma lacuna no quadro físico que as observações de Chandra haviam deixado em aberto.

Construindo uma imagem completa entre observatórios

A imagem composta divulgada junto com o achado ilustra o poder de combinar dados de vários observatórios operando em diferentes comprimentos de onda e com diferentes capacidades de detecção. O IXPE contribui com o mapa de raios X polarizados que revela a geometria do choque. Chandra e o XMM-Newton da ESA contribuem com dados de raios X de alta energia que mostram a distribuição do gás mais quente aquecido pelo choque. Dados de raios X de menor energia rastreiam o material circumestelar mais frio. Um campo estelar óptico do NOIRLab da NSF fornece contexto espacial contra o céu de fundo.

Cada conjunto de dados revela um aspecto diferente do mesmo sistema físico, e a combinação produz um relato físico mais completo do que qualquer observatório isolado poderia fornecer. Essa abordagem multicomprimento de onda tornou-se prática padrão na astrofísica de altas energias, e a capacidade polarimétrica única do IXPE tem acrescentado consistentemente informações sobre a geometria do campo magnético que simplesmente não estavam acessíveis antes do lançamento da missão em 2021.

Por que remanescentes de supernova importam

Além do interesse intrínseco em resolver um enigma astrofísico de décadas, RCW 86 e remanescentes como ele importam porque as supernovas são a forma como a galáxia distribui os elementos pesados forjados nos núcleos estelares. Cada átomo de cálcio nos ossos humanos, de ferro no sangue e de oxigênio na atmosfera foi criado dentro de uma estrela e distribuído por uma explosão desse tipo. Entender a física das ondas de choque de supernova - como se expandem, o que acontece em transições de densidade, como aceleram raios cósmicos - conecta-se diretamente a questões sobre a evolução química das galáxias e a origem das matérias-primas da vida.

RCW 86 é também um caso de estudo excepcionalmente bem delimitado porque o registro histórico data sua explosão com precisão de algumas décadas. A maioria dos remanescentes de supernova é identificada sem uma data firme, tornando incertas as análises baseadas na idade. O registro de 185 d.C. feito por astrônomos da corte chinesa fornece uma âncora cronológica que permite aos pesquisadores testar modelos contra uma linha do tempo conhecida, em vez de inferi-la a partir da aparência do remanescente.

A missão contínua do IXPE

O IXPE é uma missão conjunta da NASA e da Agência Espacial Italiana (ASI), com participação científica de 12 países. Foi lançado em dezembro de 2021 do Centro Espacial Kennedy da NASA a bordo de um foguete SpaceX Falcon 9 e é operado a partir do Centro de Voo Espacial Marshall da NASA em Huntsville, Alabama. O observatório já observou mais de 100 fontes de raios X, incluindo remanescentes de supernova, sistemas de buracos negros, estrelas de nêutrons e magnetars. Seus dados polarimétricos resolveram questões antigas sobre mecanismos de aceleração de partículas em vários desses sistemas, e o resultado de RCW 86 continua um histórico de descobertas que exigem essa capacidade específica de medição para serem alcançadas.

Este artigo é baseado em uma reportagem da NASA. Leia o artigo original.