Estrelas explodindo como supernovas são as principais fontes de elementos químicos pesados ​​no Universo. Em particular, núcleos atômicos radioativos são sintetizados no quente, regiões mais internas durante a explosão e podem, portanto, servir como sondas dos processos físicos não observáveis ​​que iniciam a explosão. Usando elaboradas simulações de computador, uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) e RIKEN no Japão foi capaz de explicar as distribuições espaciais recentemente medidas de titânio radioativo e níquel em Cassiopeia A, um resquício gasoso de aproximadamente 340 anos de uma supernova próxima. Os modelos de computador fornecem um forte suporte para a ideia teórica de que tais eventos de morte estelar podem ser iniciados e alimentados por neutrinos escapando da estrela de nêutrons deixada para trás na origem da explosão.

Estrelas massivas acabam com suas vidas em explosões gigantescas, as chamadas supernovas. Dentro de milhões de anos de evolução estável, essas estrelas construíram um núcleo central composto principalmente de ferro. Quando o núcleo atinge cerca de 1,5 vezes a massa do Sol, ele entra em colapso sob a influência de sua própria gravidade e forma uma estrela de nêutrons. Enormes quantidades de energia são liberadas neste evento catastrófico, principalmente pela emissão de neutrinos. Essas partículas elementares quase sem massa são abundantemente produzidas no interior da estrela de nêutrons recém-nascida, onde a densidade é maior do que nos núcleos atômicos e a temperatura pode chegar a 500 bilhões de graus Kelvin.

Os processos físicos que desencadeiam e conduzem a explosão têm sido um quebra-cabeça não resolvido por mais de 50 anos. Um dos mecanismos teóricos propostos invoca os neutrinos, porque eles carregam mais de cem vezes a energia necessária para uma supernova típica. À medida que os neutrinos vazam do interior quente da estrela de nêutrons, uma pequena fração deles é absorvida no gás circundante. Este aquecimento causa movimentos violentos do gás, semelhantes aos de uma panela de água fervente. Quando o borbulhar do gás se torna suficientemente poderoso, a explosão da supernova começa como se a tampa da panela tivesse explodido. As camadas externas da estrela moribunda são então expelidas para o espaço circunstelar, e com eles todos os elementos químicos que a estrela montou pela queima nuclear durante sua vida. Mas também novos elementos são criados no material ejetado quente da explosão, entre eles espécies radioativas, como titânio (44Ti com 22 prótons e 22 nêutrons) e níquel (56Ni com 28 nêutrons e prótons cada), que se decompõe em cálcio e ferro estáveis, respectivamente. A energia radioativa assim liberada faz com que a supernova brilhe por muitos anos.

Por causa da fervura selvagem do gás aquecido por neutrino, a onda de explosão começa de forma não esférica e imprime uma assimetria em grande escala na matéria estelar ejetada e na supernova como um todo (Fig. 1), de acordo com a observação de aglomeração e assimetrias em muitas supernovas e seus resíduos gasosos. A assimetria inicial da explosão tem duas consequências imediatas. Por um lado, a estrela de nêutrons recebe um impulso de recuo oposto à direção da explosão mais forte, onde o gás de supernova é expelido com mais violência. Este efeito é semelhante ao chute que um barco a remo recebe quando um passageiro salta. Por outro lado, a produção de elementos pesados ​​do silício ao ferro, em particular também de titânio e níquel, é mais eficiente em direções onde a explosão é mais forte e onde mais matéria é aquecida a altas temperaturas.

"Nós previmos ambos os efeitos há alguns anos por meio de nossas simulações tridimensionais (3-D) de explosões de supernovas conduzidas por neutrinos", diz Annop Wongwathanarat, pesquisador da RIKEN e autor principal da publicação correspondente de 2013, quando trabalhou na MPA em colaboração com seus co-autores H.-Thomas Janka e Ewald Müller. "A assimetria da ejeção radioativa é mais pronunciada se o pontapé da estrela de nêutrons for maior", ele adiciona. Uma vez que os núcleos atômicos radioativos são sintetizados nas regiões mais internas da supernova, muito perto da estrela de nêutrons, sua distribuição espacial reflete as assimetrias de explosão mais diretamente.

Novas observações de Cassiopeia A (Cas A), o resíduo gasoso de uma supernova cuja luz atingiu a Terra por volta do ano de 1680, poderia agora confirmar esta previsão teórica. Por causa de sua pouca idade e relativa proximidade a uma distância de apenas 11, 000 anos-luz, Cas A oferece duas grandes vantagens para medições. Primeiro, o decaimento radioativo do 44Ti ainda é uma fonte de energia eficiente e libera radiação de raios-X de alta energia, portanto, a presença desse núcleo atômico pode ser mapeada em 3-D com alta precisão. Segundo, a velocidade da estrela de nêutrons é conhecida tanto por sua magnitude quanto por sua direção no plano do céu. Uma vez que a estrela de nêutrons se propaga com uma velocidade estimada de pelo menos 350 quilômetros por segundo, espera-se que a assimetria na distribuição espacial dos elementos radioativos seja muito pronunciada. Exatamente isso é visto nas observações (Fig. 2a).

Enquanto o remanescente compacto acelera em direção ao hemisfério inferior, os aglomerados maiores e mais brilhantes com a maior parte do 44Ti são encontrados na metade superior do gás remanescente. A simulação de computador, visto de uma direção adequadamente escolhida, exibe uma semelhança notável com a imagem observacional (Fig. 2b). Isso também pode ser visto ao comparar a visualização 3-D das simulações na Fig. 3 com a imagem 3-D de Cas A (www.mpa-garching.mpg.de/452369/news20170621ni,
www.mpa-garching.mpg.de/452353/news20170621ti).

Mas não apenas as distribuições espaciais de titânio e ferro se assemelham às de Cas A. Além disso, as quantidades totais desses elementos, suas velocidades de expansão, e a velocidade da estrela de nêutrons está em incrível acordo com a de Cas A. "Esta capacidade de reproduzir propriedades básicas das observações confirma de forma impressionante que Cas A pode ser o remanescente de uma supernova movida a neutrino com seus violentos movimentos de gás ao redor da nascente Estrêla de Neutróns", conclui H.-Thomas Janka.

Porém, mais trabalho é necessário para finalmente provar que as explosões de estrelas massivas são de fato alimentadas pela entrada de energia dos neutrinos. “Cas A é um objeto de tanto interesse e importância que também devemos entender as distribuições espaciais de outras espécies químicas, como o silício, argônio, néon, e oxigênio ", observa Ewald Müller, apontando para a bela morfologia de múltiplos componentes de Cas A revelada por imagens 3-D. Ter apenas um exemplo também não é suficiente para apresentar um caso totalmente convincente. Portanto, a equipe se juntou a uma colaboração maior para testar as previsões teóricas para explosões induzidas por neutrinos por uma análise próxima de uma amostra maior de remanescentes de supernovas jovens. Passo a passo, os pesquisadores esperam coletar evidências para resolver o problema de longa data do mecanismo da supernova.