(a) Explosões de massa perto de Chandrasekhar:em um sistema binário de uma anã branca que é feita de carbono e oxigênio, o acréscimo de massa da estrela companheira (uma estrela em sequência principal ou gigante vermelha) causa ventos de material da anã branca, que regula o acréscimo de massa na anã branca, e aumenta a massa da anã branca. Ondas subsônicas da explosão no centro da anã branca de massa próxima a Chandrasekhar disparam uma detonação nos arredores. Esta explosão pode produzir muitos mangás (Mn) e níquel (Ni), bem como ferro (Fe). (b) Um exemplo de explosões em massa sub-Chandrasekhar:Em um sistema binário de duas anãs brancas (pelo menos uma anã branca consiste em carbono e oxigênio), o menor é interrompido pelas forças da maré e se funde com o maior. Uma detonação em um fino envelope de hélio ao redor da anã branca dispara uma detonação de carbono no centro. Esta explosão pode produzir mais silício (Si) e enxofre (S), bem como ferro (Fe), e carbono e oxigênio não queimados. Crédito:The Astrophysical Journal
Uma equipe de pesquisa do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) composta pelo cientista visitante Chiaki Kobayashi, Pesquisador do projeto na época Shing-Chi Leung (atualmente no California Institute of Technology), e o cientista sênior Ken'ichi Nomoto usaram simulações de computador para acompanhar a explosão, reação nuclear, produção de elementos, e evolução das abundâncias elementares nas galáxias. Como resultado, eles colocaram restrições rigorosas na origem das supernovas do Tipo Ia.
Uma supernova Tipo Ia é um tipo de supernova que não está relacionada com a morte de uma estrela massiva. Em vez de, uma supernova Tipo Ia é uma explosão luminosa de uma estrela que ocorre em um sistema binário, onde duas estrelas de massa relativamente baixa estão evoluindo juntas. Por causa de sua luminosidade relativamente constante, As supernovas do tipo Ia têm sido usadas como uma "vela" padrão para medir a expansão do universo, resultado pelo qual o Prêmio Nobel de Física de 2011 foi concedido. Contudo, a estrela progenitora de uma supernova Tipo Ia é desconhecida, e tem sido o tema de debate por cerca de meio século.
"Como de costume para supernovas normais, As supernovas do tipo Ia produzem "metais" - ou, em termos astronômicos, elementos químicos mais pesados que o hidrogênio e o hélio, o último par traçando sua origem até o Big Bang - mas as supernovas Tipo Ia produzem elementos diferentes, como o manganês (Mn), níquel (Ni), e ferro (Fe). Essas abundâncias elementares podem ser medidas em características espectrais de estrelas próximas, que mantém um "registro" das supernovas do passado, como os fósseis fazem na arqueologia, '' Kobayashi, que também é professor associado da Universidade de Hertfordshire, no Reino Unido, disse. Portanto, a evolução da abundância elementar nas galáxias pode fornecer uma restrição estrita sobre a verdadeira origem das supernovas do Tipo Ia.
As estrelas progenitoras das supernovas Tipo Ia são um tipo de anã branca feita de carbono e oxigênio. Anãs brancas se formam após a morte de estrelas de massa intermediária, onde a pressão de degeneração de elétrons apoia a estrela contra o colapso sob sua própria gravidade. Contudo, se uma anã branca excede seu limite superior de massa - também chamado de limite de massa de Chandrasekhar (em homenagem ao físico Subrahmanyan Chandrasekhar) - isso leva a reações nucleares que a fazem explodir.
Portanto, em um sistema binário contendo uma anã branca de massa próxima a Chandrasekhar, o acúmulo de massa de uma estrela companheira pode causar uma explosão, que é um dos dois cenários propostos (o "cenário degenerado único") para supernovas do Tipo Ia. No outro cenário, duas anãs brancas são formadas em um sistema binário (o "cenário duplo degenerado"), que se fundem para causar uma explosão, ou seja, uma explosão de massa sub-Chandrasekhar.
Evolução do oxigênio (à esquerda) e do manganês (à direita) na vizinhança solar da Via Láctea. O eixo x mostra a metalicidade (abundância de ferro em relação ao hidrogênio), que é uma representação do tempo aumentando da esquerda para a direita. O eixo y mostra as abundâncias de oxigênio e manganês, em relação ao ferro. Os pontos são para as abundâncias elementares observadas em estrelas próximas com espectroscopia de alta resolução. Pela comparação, descobriu-se que pelo menos 75 por cento das supernovas do Tipo Ia são explosões de massa próximas a Chandrasekhar. Crédito:The Astrophysical Journal
Para investigar os dois casos, a equipe de pesquisa executa cálculos detalhados (simulações hidrodinâmicas bidimensionais e nucleossíntese) de ambas as explosões de massa próxima à de Chandrasekhar e de massa sub-Chandrasekhar, e calculou a evolução da Via Láctea, algo que não havia sido feito em pesquisas anteriores.
“Entre estes dois casos, encontramos uma diferença crítica na evolução das abundâncias elementares, em particular para o elemento manganês, “Kobayashi explicou. Na primeira simulação, a explosão forneceu matéria de alta temperatura e alta densidade, onde muito manganês foi produzido, enquanto na segunda simulação, não havia tal matéria e, portanto, não foi produzido manganês suficiente.
A equipe de pesquisa então incorporou a quantidade de produção de cada elemento químico em seu modelo de galáxia para prever a evolução dos elementos na Via Láctea. Comparado aos dados observacionais, nomeadamente, abundâncias elementares medidas em estrelas próximas com espectroscopia de alta resolução, eles descobriram que pelo menos 75 por cento das supernovas Tipo Ia são explosões de massa próximas a Chandrasekhar. Em ambos os casos, a pesquisa descobriu, a massa de ferro produzida é aproximadamente a mesma, isto é, 60 por cento da massa do Sol - que é cerca de 10 vezes maior do que em supernovas normais de estrelas massivas.
"A evolução química das galáxias é poderosa para resolver problemas de longa data na astrofísica nuclear. Não apenas o manganês, mas também as abundâncias de níquel são atualizadas em nossos cálculos com as reações nucleares mais recentes. O níquel foi superproduzido em cálculos anteriores, mas agora a abundância prevista é consistente com as observações, '' Kobayashi acrescentou. Como resultado de suas descobertas, o problema da superprodução de níquel foi finalmente resolvido, após duas décadas de estudos.
Mais interessante, a equipe de pesquisa também mostrou que uma contribuição maior de explosões de massa sub-Chandrasekhar é preferível a explosões de massa próximas de Chandrasekhar a partir das observações disponíveis em diferentes galáxias - galáxias esferoidais anãs ao redor da Via Láctea, por exemplo.
Kobayashi e sua equipe notaram que as abundâncias elementares de milhões de estrelas serão obtidas com projetos internacionais em andamento e futuros, como APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (Arqueologia GALática com HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (telescópio espectroscópico multi-objeto de 4 metros), MSE (The Maunakea Spectroscopic Explorer), na nova área de pesquisa de "Arqueologia Galáctica, "ou o estudo da história da Via Láctea, e suas descobertas serão testadas em pesquisas futuras.
