Uma equipe internacional de astrônomos, incluindo Mike Barlow, professor da UCL (University College London), descobriu a primeira evidência conclusiva de que existe uma estrela de nêutrons no centro da Supernova 1987A, uma explosão estelar observada há 37 anos.

As supernovas são o resultado final espetacular do colapso de estrelas com massa superior a 8 a 10 vezes a massa do Sol. Eles são as principais fontes de elementos químicos (como carbono, oxigênio, silício e ferro) que tornam a vida possível. O núcleo colapsado destas estrelas em explosão pode resultar em estrelas de neutrões muito mais pequenas, compostas pela matéria mais densa do Universo conhecido, ou buracos negros.

A Supernova 1987A, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia anã vizinha, foi a supernova mais próxima e mais brilhante vista no céu noturno em 400 anos.

Neutrinos, partículas subatômicas inimaginavelmente pequenas, foram produzidos na supernova e detectados na Terra (23 de fevereiro de 1987) um dia antes da supernova ser vista, indicando que uma estrela de nêutrons deve ter se formado. No entanto, não se sabe se a estrela de neutrões persistiu ou se colapsou num buraco negro, uma vez que a estrela foi obscurecida pela poeira que se formou após a explosão.

No novo estudo, publicado na revista Science, os pesquisadores usaram dois instrumentos do Telescópio Espacial James Webb (JWST), MIRI e NIRSpec, para observar a supernova em comprimentos de onda infravermelhos e encontraram evidências de átomos pesados de argônio e enxofre cujos elétrons externos foram removido (ou seja, os átomos foram ionizados) perto de onde ocorreu a explosão estelar.

A equipe modelou vários cenários e descobriu que esses átomos só poderiam ter sido ionizados pela radiação ultravioleta e de raios X de uma estrela de nêutrons em resfriamento quente ou, alternativamente, pelos ventos de partículas relativísticas aceleradas por uma estrela de nêutrons em rotação rápida e interagindo com material de supernova circundante (nebulosa de vento pulsar).

Se o cenário anterior for verdadeiro, a superfície da estrela de neutrões estaria a cerca de um milhão de graus, tendo arrefecido de cerca de 100 mil milhões de graus no momento da formação no centro do colapso, mais de 30 anos antes.

O coautor Professor Mike Barlow (UCL Physics & Astronomy) disse: "Nossa detecção com os espectrômetros MIRI e NIRSpec de James Webb de fortes linhas de emissão de argônio ionizado e enxofre do centro da nebulosa que circunda a Supernova 1987A é uma evidência direta da presença de uma fonte central de radiação ionizante. Nossos dados só podem ser equipados com uma estrela de nêutrons como fonte de energia dessa radiação ionizante.

"Esta radiação pode ser emitida a partir da superfície de um milhão de graus da estrela de neutrões quente, bem como por uma nebulosa de vento pulsar que poderia ter sido criada se a estrela de neutrões estivesse a girar rapidamente e a arrastar partículas carregadas à sua volta."

“O mistério sobre se uma estrela de nêutrons está escondida na poeira já dura mais de 30 anos e é emocionante que o tenhamos resolvido."

"As supernovas são as principais fontes de elementos químicos que tornam a vida possível - por isso queremos acertar os nossos modelos delas. Não existe outro objeto como a estrela de neutrões da Supernova 1987A, tão perto de nós e que se formou tão recentemente. Porque o material ao seu redor está se expandindo, veremos mais disso com o passar do tempo."

O professor Claes Fransson (Universidade de Estocolmo, Suécia), principal autor do estudo, disse: "Graças à excelente resolução espacial e aos excelentes instrumentos do JWST, conseguimos, pela primeira vez, sondar o centro da supernova e o que foi criado lá.

"Sabemos agora que existe uma fonte compacta de radiação ionizante, provavelmente proveniente de uma estrela de nêutrons. Estávamos procurando por isso desde o momento da explosão, mas tivemos que esperar que o JWST pudesse verificar as previsões."

Patrick Kavanagh (Universidade Maynooth, Irlanda), outro autor do estudo, disse: "Foi tão emocionante observar as observações JWST do SN 1987A pela primeira vez. Ao verificarmos os dados MIRI e NIRSpec, a emissão muito brilhante do argônio no centro do SN 1987A saltou. Sabíamos imediatamente que isso era algo especial que poderia finalmente responder à questão sobre a natureza do objeto compacto."

O professor Josefin Larsson (Royal Institute of Technology (KTH), Suécia), coautor do estudo, disse: "Esta supernova continua a nos oferecer surpresas. Ninguém havia previsto que o objeto compacto seria detectado através de uma linha de emissão super forte de argônio, então é engraçado que foi assim que o encontramos no JWST."

Os modelos indicam que átomos pesados de argônio e enxofre são produzidos em grande abundância devido à nucleossíntese dentro de estrelas massivas imediatamente antes de explodirem.

Embora a maior parte da massa da estrela em explosão esteja agora a expandir-se até 10.000 km/segundo, e esteja distribuída por um grande volume, os átomos ionizados de árgon e enxofre foram observados perto do centro onde ocorreu a explosão.

A radiação ultravioleta e de raios X que se pensa ter ionizado os átomos foi prevista em 1992 como uma assinatura única de uma estrela de neutrões recentemente criada.

Estes átomos ionizados foram detectados pelos instrumentos MIRI e NIRSpec de James Webb usando uma técnica chamada espectroscopia, onde a luz é dispersa num espectro, permitindo aos astrónomos medir a luz em diferentes comprimentos de onda para determinar as propriedades físicas de um objeto, incluindo a sua composição química.

Uma equipe da UCL no Laboratório de Ciências Espaciais Mullard projetou e construiu a Fonte de Calibração do NIRSpec, que permite ao instrumento fazer medições mais precisas, fornecendo uma iluminação de referência uniforme de seus detectores.

O novo estudo envolveu investigadores do Reino Unido, Irlanda, Suécia, França, Alemanha, Estados Unidos, Holanda, Bélgica, Suíça, Áustria, Espanha e Dinamarca.

SN 1987A é a supernova mais estudada e melhor observada de todas.

Explodindo em 23 de fevereiro de 1987 na Grande Nuvem de Magalhães no céu meridional, a uma distância de 160.000 anos-luz, foi a supernova mais próxima desde a última supernova a olho nu observada por Johannes Kepler em 1604. Durante vários meses antes de desaparecer, SN 1987A poderia ser visto a olho nu, mesmo a esta distância.

Ainda mais importante, é a única supernova que foi detectada através dos seus neutrinos. Isto é altamente significativo, uma vez que se previu que 99,9% da enorme energia emitida neste evento seria perdida como partículas com interação extremamente fraca.

Os 0,1% restantes aparecem na energia de expansão do remanescente e como luz. Do enorme número (cerca de 10 elevado à potência 58) de neutrinos emitidos, cerca de 20 foram detectados por três detectores diferentes ao redor da Terra, desde o colapso no núcleo da estrela em 23 de fevereiro às 7h35min35s UT.

SN 1987A também foi a primeira supernova onde a estrela que explodiu pôde ser identificada a partir de imagens tiradas antes da explosão. Além dos neutrinos, o resultado mais interessante do colapso e da explosão é a previsão de que um buraco negro ou estrela de nêutrons foi criado. Isto constitui apenas o núcleo central da estrela em colapso, com uma massa de 1,5 vezes a do Sol. O restante é expelido a uma velocidade de até 10% da velocidade da luz, formando o remanescente em expansão que observamos diretamente hoje.

A 'longa' duração de 10 segundos da explosão de neutrinos indicou a formação de uma estrela de nêutrons, mas apesar de várias indicações interessantes de observações de rádio e raios X, nenhuma evidência conclusiva de um objeto compacto foi encontrada até agora, e foi a principal evidência remanescente problema não resolvido para SN 1987A.

Uma razão importante para isto pode ser a grande massa de partículas de poeira que sabemos ter sido formada durante os anos após a explosão. Esta poeira poderia bloquear a maior parte da luz visível do centro e, portanto, ocultar o objeto compacto nos comprimentos de onda visíveis.

No seu estudo, os autores discutem duas possibilidades principais: ou a radiação da estrela de neutrões recém-nascida, quente e com milhões de graus, ou, alternativamente, a radiação de partículas energéticas aceleradas no forte campo magnético da estrela de neutrões em rotação rápida (pulsar). Este é o mesmo mecanismo que opera na famosa nebulosa do Caranguejo com o seu pulsar no centro, que é o remanescente da supernova observada pelos astrônomos chineses em 1054.

Os modelos destes dois cenários resultam em previsões semelhantes para o espectro, que concordam bem com as observações, mas são difíceis de distinguir. Observações adicionais com o JWST e telescópios terrestres na luz visível, bem como com o Telescópio Espacial Hubble, poderão distinguir estes modelos.

Em ambos os casos, estas novas observações com o JWST fornecem evidências convincentes de um objeto compacto, muito provavelmente uma estrela de neutrões, no centro de SN 1987A.

Em resumo, estas novas observações do JWST, juntamente com as observações anteriores do progenitor e dos neutrinos, fornecem uma imagem completa deste objeto único.