Antes de sua breve missão terminar inesperadamente em março de 2016, O observatório de raios X Hitomi do Japão capturou informações excepcionais sobre os movimentos do gás quente no aglomerado de galáxias Perseus. Agora, graças a detalhes sem precedentes fornecidos por um instrumento desenvolvido em conjunto pela NASA e a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA), os cientistas foram capazes de analisar mais profundamente a composição química deste gás, fornecendo novos insights sobre as explosões estelares que formaram a maioria desses elementos e os lançaram no espaço.

O aglomerado Perseus, localizado a 240 milhões de anos-luz de distância em sua constelação homônima, é o aglomerado de galáxias mais brilhante em raios-X e um dos mais massivos próximos à Terra. Ele contém milhares de galáxias orbitando dentro de um fino gás quente, todos ligados pela gravidade. O gás tem uma média de 90 milhões de graus Fahrenheit (50 milhões de graus Celsius) e é a fonte de emissão de raios-X do aglomerado.

Usando o instrumento Soft X-ray Spectrometer (SXS) de alta resolução da Hitomi, pesquisadores observaram o aglomerado entre 25 de fevereiro e 6 de março, 2016, adquirindo uma exposição total de quase 3,4 dias. O SXS observou um espectro sem precedentes, revelando uma paisagem de picos de raios-X emitidos por vários elementos químicos com uma resolução cerca de 30 vezes melhor do que a vista anteriormente.

Em um artigo publicado online na revista Natureza em 13 de novembro, a equipe científica mostra que as proporções dos elementos encontrados no aglomerado são quase idênticas às que os astrônomos veem no sol.

"Não havia razão para esperar que inicialmente, "disse o co-autor Michael Loewenstein, um cientista pesquisador da Universidade de Maryland no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "O cluster Perseus é um ambiente diferente com uma história diferente da do nosso Sol. Afinal, os aglomerados representam uma distribuição química média de muitos tipos de estrelas em muitos tipos de galáxias que se formaram muito antes do Sol. "

Um grupo de elementos está intimamente ligado a uma classe particular de explosão estelar, chamados supernovas Tipo Ia. Acredita-se que essas explosões sejam responsáveis ​​pela produção da maior parte do cromo do universo, manganês, ferro e níquel - metais conhecidos coletivamente como elementos de "pico de ferro".

Supernovas tipo Ia implicam na destruição total de uma anã branca, um remanescente compacto produzido por estrelas como o sol. Embora estável por conta própria, uma anã branca pode sofrer uma explosão termonuclear descontrolada se for emparelhada com outro objeto como parte de um sistema binário. Isso ocorre por fusão com uma anã branca companheira ou, quando emparelhado com uma estrela normal próxima, roubando um pouco do gás do parceiro. A matéria transferida pode se acumular na anã branca, aumentando gradualmente sua massa até que se torne instável e exploda.

Uma importante questão em aberto tem sido se a explosão da anã branca está perto desse limite de estabilidade - cerca de 1,4 massas solares - independentemente de suas origens. Diferentes massas produzem diferentes quantidades de metais de pico de ferro, então, uma contagem detalhada desses elementos em uma grande região do espaço, como o aglomerado de galáxias Perseus, poderia indicar quais tipos de anãs brancas explodiam com mais frequência.

"Acontece que você precisa de uma combinação de supernovas Tipo Ia com diferentes massas no momento da explosão para produzir as abundâncias químicas que vemos no gás no meio do aglomerado de Perseus, "disse Hiroya Yamaguchi, o autor principal do artigo e um cientista pesquisador da UMD em Goddard. "Confirmamos que pelo menos cerca de metade das supernovas Tipo Ia deve ter atingido cerca de 1,4 massas solares."

Tomados em conjunto, as descobertas sugerem que a mesma combinação de supernovas Tipo Ia produzindo elementos de pico de ferro em nosso sistema solar também produziu esses metais no gás do aglomerado. Isso significa que tanto o sistema solar quanto o aglomerado de Perseus experimentaram uma evolução química bastante semelhante, sugerindo que os processos de formação de estrelas - e os sistemas que se tornaram supernovas Tipo Ia - eram comparáveis ​​em ambos os locais.

"Embora este seja apenas um exemplo, não há razão para duvidar que essa semelhança pode se estender além do nosso Sol e do aglomerado de Perseus para outras galáxias com propriedades diferentes, "disse a co-autora Kyoko Matsushita, professor de física na Universidade de Ciências de Tóquio.

Embora tenha vida curta, a missão Hitomi e seu revolucionário instrumento SXS - desenvolvido e construído por cientistas Goddard trabalhando em estreita colaboração com colegas de várias instituições nos Estados Unidos, Japão e Holanda - demonstraram a promessa da espectrometria de raios-X de alta resolução.

"Hitomi nos permitiu aprofundar na história de uma das maiores estruturas do universo, o aglomerado de galáxias Perseus, e explorar como partículas e materiais se comportam em condições extremas lá, "disse Richard Kelley de Goddard, o principal investigador dos EUA para a colaboração de Hitomi. "Nossos cálculos mais recentes forneceram um vislumbre de como e por que certos elementos químicos são distribuídos por galáxias além da nossa."

Cientistas da JAXA e da NASA estão agora trabalhando para recuperar as capacidades científicas perdidas no acidente de Hitomi, colaborando na missão de recuperação de astronomia de raios-X (XARM), com lançamento previsto para 2021. Um de seus instrumentos terá recursos semelhantes ao SXS voado na Hitomi.

Hitomi foi lançado em 17 de fevereiro, 2016, e sofreu uma anomalia na nave espacial finalizada 38 dias depois. Hitomi, que se traduz em "pupila do olho, "era conhecido antes do lançamento como ASTRO-H. A missão foi desenvolvida pelo Instituto de Ciência Espacial e Astronáutica, uma divisão da JAXA. Foi construído em conjunto por uma colaboração internacional liderada pela JAXA, com contribuições de Goddard e outras instituições nos Estados Unidos, Japão, Canadá e Europa.