Até recentemente, pensava-se que as fusões de estrelas de nêutrons eram a única maneira de elementos pesados (mais pesados que o zinco) serem produzidos. Essas fusões envolvem o mashup dos remanescentes de duas estrelas massivas em um sistema binário.
Mas sabemos que elementos pesados foram produzidos pela primeira vez pouco depois do Big Bang,quando o Universo era realmente jovem. Naquela época, não havia passado tempo suficiente para fusões de estrelas de nêutrons terem ocorrido. Assim, outra fonte foi necessária para explicar a presença de elementos pesados precoces na Via Láctea.
A descoberta de uma estrela antiga SMSS J2003-1142 no halo da Via Láctea - que é a região aproximadamente esférica que circunda a galáxia - está fornecendo a primeira evidência para outra fonte de elementos pesados, incluindo urânio e possivelmente ouro.
Em nossa pesquisa publicada na Nature,mostramos que os elementos pesados detectados no SMSS J2003-1142 provavelmente foram produzidos, não por uma fusão de estrelas de nêutrons, mas através do colapso e explosão de uma estrela girando rapidamente com um forte campo magnético e uma massa cerca de 25 vezes maior que a do Sol.
Chamamos esse evento de explosão de "hipernova magnetorotacional".
Alquimia estelar
Foi recentemente confirmado que as fusões de estrelas de nêutrons são de fato uma fonte dos elementos pesados em nossa galáxia. Como o nome sugere, é quando duas estrelas de nêutrons em um sistema binário se fundem em um evento energético chamado "quilonova". Esse processo produz elementos pesados.
No entanto, modelos existentes da evolução química de nossa galáxia indicam que fusões de estrelas de nêutrons sozinhas não poderiam ter produzido os padrões específicos de elementos que vemos em múltiplas estrelas antigas, incluindo SMSS J2003-1142.
Uma relíquia do universo primitivo
O SMSS J2003-1142 foi observado pela primeira vez em 2016 da Austrália e, em setembro de 2019, usando um telescópio no Observatório Europeu do Sul, no Chile.
A partir dessas observações, estudamos a composição química da estrela. Nossa análise revelou um teor de ferro cerca de 3.000 vezes menor que o do Sol. Em outras palavras, o SMSS J2003-1142 é quimicamente primitivo.
Os elementos que observamos nele foram provavelmente produzidos por uma estrela mãe solteira, logo após o Big Bang.
Assinaturas de uma estrela em colapso rapidamente girando
A composição química do SMSS J2003-1142 pode revelar a natureza e as propriedades de sua estrela-mãe. Particularmente importantes são suas quantidades extraordinariamente altas de nitrogênio, zinco e elementos pesados, incluindo europium e urânio.
Os altos níveis de nitrogênio no SMSS J2003-1142 indicam que a estrela-mãe teve rápida rotação, enquanto altos níveis de zinco indicam que a energia da explosão era cerca de dez vezes a de uma supernova "normal" — o que significa que teria sido uma hipernova. Além disso, grandes quantidades de urânio teriam exigido a presença de muitos nêutrons.
Os elementos pesados que podemos observar no SMSS J2003-1142 hoje são todas evidências de que esta estrela foi produzida como resultado de uma explosão de hipernova magnetorotational precoce.
E nosso trabalho forneceu, portanto, a primeira evidência de que eventos de hipernova magnetorotational são uma fonte de elementos pesados em nossa galáxia (ao lado de fusões de estrelas de nêutrons).
E as fusões de estrelas de nêutrons?
Mas como sabemos que não foram apenas fusões de estrelas de nêutrons que levaram aos elementos particulares que encontramos no SMSS J2003-1142? Há algumas razões para isso.
Em nossa hipótese, uma estrela mãe solteira teria feito todos os elementos observados no SMSS J2003-1142. Por outro lado, teria demorado muito, muito mais tempo para que os mesmos elementos tivessem sido feitos apenas através de fusões de estrelas de nêutrons. Mas desta vez nem teria existido tão cedo na formação da galáxia quando esses elementos foram feitos.
Além disso, as fusões de estrelas de nêutrons fazem apenas elementos pesados, de modo que fontes adicionais como supernova regular teriam que ter ocorrido para explicar outros elementos pesados, como o cálcio, observados no SMSS J2003-1142. Este cenário, embora possível, é mais complicado e, portanto, menos provável.
O modelo de hipernova magnetorotational não só fornece um melhor ajuste aos dados, como também pode explicar a composição do SMSS J2003-1142 através de um único evento. Pode ser fusões de estrelas de nêutrons, juntamente com supernovas magnetorotationais, poderiam em uníssono explicar como todos os elementos pesados da Via Láctea foram criados.
David Yong, Acadêmico, Escola de Pesquisa em Astronomia e Astrofísica, Universidade Nacional Australiana e Gary Da Costa, Professor Emérito de Astronomia da Universidade Nacional Australiana.
