As observações de nebulosas planetárias revelaram um conteúdo molecular incomum e surpreendentes enriquecimentos de isótopos raros, desafiando ambos os modelos químicos, bem como nossa compreensão atual da nucleossíntese estelar.

Usando os telescópios submilimétricos e de 12 metros do Arizona Radio Observatory e o telescópio IRAM de 30 metros perto de Granada, Espanha, astrônomos da Universidade do Arizona descobriram um inventário químico inesperado em nebulosas planetárias. Esses resultados, apresentado na 236ª reunião da American Astronomical Society por Deborah Schmidt (agora no Swarthmore College), sugerem que as nebulosas planetárias desempenham um papel vital no fornecimento do espaço interestelar com material rico em moléculas, não apenas átomos.

Avançar, os dados moleculares revelaram enriquecimentos incomuns de isótopos raros de elementos comuns como o carbono, oxigênio, e nitrogênio, incluindo 13C, 15N, e 17O. A grande abundância desses isótopos incomuns em nebulosas planetárias não pode ser explicada por nosso conhecimento atual de como a maioria das estrelas morre, sugerindo processos adicionais, até mesmo explosões violentas, pode estar ocorrendo.

As nebulosas planetárias representam os últimos suspiros de estrelas moribundas semelhantes ao Sol. No final de suas vidas, essas estrelas ejetam suas camadas externas, formando um envelope brilhantemente fluorescente que se expande para longe do núcleo remanescente. Este material ejetado se mistura com a matéria de baixa densidade que existe entre as estrelas, conhecido como meio interestelar, onde pode mais tarde ser incorporado em sistemas estelares recém-formados.

O núcleo vestigial, chamada de anã branca, emite grandes quantidades de radiação de alta energia à medida que sua temperatura aumenta para a fase de nebulosa planetária. Como resultado, por muito tempo se pensou que o material nebular deveria ser elementar em composição, com quaisquer moléculas remanescentes de estágios anteriores da vida da estrela sendo destruídas pelos fótons energéticos da anã branca.

Em total desacordo com essas previsões do modelo, observações conduzidas por Schmidt como parte de seu trabalho de dissertação na Universidade do Arizona revelaram uma riqueza de espécies moleculares incomuns em mais de 25 nebulosas planetárias.

Esses resultados demonstram inequivocamente que as moléculas são componentes importantes da composição das nebulosas planetárias, e podem, subsequentemente, estar "poluindo" o meio interestelar difuso. Historicamente, os astrônomos têm se esforçado para explicar a abundância das moléculas poliatômicas observadas no gás difuso, pois não há material denso o suficiente para criá-los em uma escala de tempo realista. As descobertas de Schmidt et al. sugere uma nova solução para este dilema em curso.

As observações moleculares dessas nebulosas planetárias também oferecem uma visão única sobre as reações nucleares que ocorreram na estrela progenitora, e os elementos e seus diferentes núcleos que foram produzidos. Isso ocorre porque as observações em comprimentos de onda de rádio e milímetros são conduzidas com a mais alta resolução espectral, permitindo que as moléculas com diferentes elementos e isótopos sejam claramente distinguidas.

Schmidt e colegas descobriram que as moléculas que encontraram indicam se a estrela progenitora era rica em carbono, por exemplo. Além disso, eles foram capazes de medir as razões de abundância entre o elemento principal e suas formas mais raras, como 12C / 13C ou 14N / 15N. Essas proporções são conhecidas por serem sondas sensíveis dos processos que ocorreram nas profundezas da estrela antes de morrer, e têm sido usados ​​como um dos poucos "benchmarks" para testar modelagem estelar. Agora, pela primeira vez, eles podem ser medidos com precisão em nebulosas planetárias, dando um "instantâneo" dos estágios finais da estrela.

O que as observações revelaram nas nebulosas planetárias? Muito carbono, em primeiro lugar, junto com altas abundâncias de 13C, e em uma nebulosa, K4-47, quantidades extremamente elevadas de 15N e 17O - mais altas do que as observadas em qualquer outro lugar do universo (Schmidt et al. 2018). As altas concentrações de 13C, 15N, e 17O observadas em nebulosas planetárias não foram previstas por modelos de estrelas moribundas.

Especificamente, Schmidt e colaboradores sugerem que as estrelas progenitoras dessas nebulosas planetárias podem ter sofrido um evento inesperado enquanto davam seus últimos "suspiros" - um flash de camada de hélio, em que o carbono quente das profundezas da estrela é soprado para a superfície estelar. Na violenta explosão que ocorre, 13C, 15N, e 17O são criados e ejetados da estrela. Esse processo energético também pode explicar as geometrias bipolares e multipolares incomuns normalmente exibidas por nebulosas planetárias, dando-lhes suas formas de "ampulheta" e "folha de trevo".

Estrelas moribundas também produzem grãos de poeira. Alguns desses grãos realmente chegaram ao nosso sistema solar, onde pesquisadores como o colaborador Thomas Zega os extraem de meteoritos intocados. Os isótopos elementares podem ser medidos nestes grãos chamados "presolares", fornecendo uma Pedra de Roseta de sua história. Alguns desses grãos exibem consistentemente 12C / 13C, 14N / 15N, e razões 16O / 17O - um quebra-cabeça para cosmoquímicos, já que essas proporções não podem ser explicadas por modelos normais.

Por falta de uma explicação melhor, especulou-se que esses grãos atípicos se originaram em novas, um tipo de explosão termonuclear que ocorre na superfície dos remanescentes estelares de baixa massa em sistemas binários. Suas proporções incomuns, Contudo, correspondem aos encontrados em K4-47, sugerindo que as nebulosas planetárias são seus verdadeiros locais de nascimento.

Nebulosas planetárias fornecem a maior parte da matéria encontrada no espaço interestelar, o que subsequentemente leva a sistemas estelares como o nosso. O trabalho de Schmidt e colegas mostrou que esses objetos contêm moléculas ocultas e isótopos elementares, invisíveis nas imagens coloridas que os retratam. Explorando esses novos, As facetas inesperadas das nebulosas planetárias são cruciais para nossa compreensão da história das estrelas e da evolução da matéria que formou nosso sistema solar.