James Webb revela inusitado cenário de morte estelar – Pesquisa publicada na Nature Astronomy com participação do Observatório do Valongo

O Teatro da Morte Estelar: Drama e Glória reveladas pelo James Webb

 

Por Daniel Mello e Igor Borgo

 

Quando lançou suas primeiras imagens públicas em meados deste ano, o telescópio James Webb surpreendeu o mundo. A beleza do Universo, entre planetas, nebulosas e galáxias, começou a ser mostrada com rigor de detalhes sem precedentes. Uma dessas primeiras imagens foi de um astro diminuto, mas de magia ímpar: a Nebulosa do Anel do Sul. Conhecida tecnicamente como NGC 3132, ela fica na constelação da Vela, em uma região do céu relativamente próxima ao Cruzeiro do Sul. Agora, após as primeiras imagens do Webb, as grandes descobertas começam a acontecer. O estudo aprofundando das imagens da nebulosa NGC 3132 a partir das observações do Webb, revelam detalhes nunca antes vistos da morte de uma estrela, como na imagem abaixo:

Figura 1: Imagem histórica do James Webb mostrando a Nebulosa do Anel do Sul (NGC 3132), escolhida para ser um dos primeiros astros fotografados pelo telescópio. Créditos: NASA, ESA, CSA e STScI.

 

Parte I – O Desafio

Além da inspiração com a bela imagem acima, podemos nos perguntar: o que este astro representa? Como explicar a riqueza de cores e o formato da nebulosa com seus anéis, arcos, bolhas e regiões mais brilhantes? Este é o grande desafio da Astronomia, explicar como o Universo funciona, utilizando a Física, a Matemática, a computação e imagens como esta, da NGC 3132.  Para investigar esta saga estelar, uma equipe de quase 70 astrônomos de todo o mundo encararam de frente o problema de desvendar o que indicam as múltiplas informações da primeira nebulosa planetária fotografada com James Webb. Os resultados deste trabalho são agora, divulgados aqui (veja o link do artigo no final do texto).

Na lista de autores do trabalho que saiu, em 08 de dezembro de 2022, na prestigiada revista Nature Astronomy, contribuições importantes dos astrofísicos brasileiros, incluindo a Professora Dra. Denise R. Gonçalves, que representa o Observatório do Valongo da UFRJ nesta empreitada, a Dra. Isabel Aleman e o Dr. Hektor Monteiro, ambos da Universidade Federal de Itajubá-MG, (UNIFEI) e a Dra. Claudia Mendes de Oliveira (Universidade de São Paulo, USP). Na liderança da equipe, a astrofísica italiana Dra. Orsola de Marco (Universidade Macquarie, Sidney, Austrália), que investiga as nebulosas há décadas e coordenou uma equipe de especialistas sobre o tema. Com dados do James Webb complementados por outros telescópios tais como do VLT do ESO (Chile) e dos Telescópios Espaciais Gaia e Hubble, começa-se a desvendar a Nebulosa do Anel do Sul. Para Orsola de Marco, “com o Webb, é como se tivéssemos um microscópio para examinar o universo”.

 

Parte II – Estrelas não são eternas

Estrelas são holofotes de luz iluminando a noite. Algumas são anãs como o Sol, outras gigantescas como Betelgeuse. Algumas são massudas como Eta Carina, outras são “peso leve” como Aldebaran. Algumas são jovens, outras anciãs e embora todas elas possam, por longo tempo, “curtir os embalos da vida noturna, adoidadas” nenhuma é eterna. Hoje sabemos que as estrelas “peso leve” vivem muito e as massudas, bem menos. O que aconteceu com a Nebulosa do Anel do Sul nos conta a história de uma pequena estrela que viveu por muito tempo, mas está agora encontrando seu derradeiro fim.

Quando estrelas “peso leve” chegam na terceira idade, tudo muda, elas inflam, tornam-se gigantes estrelas avermelhadas e suas camadas gasosas são literalmente expulsas para o espaço. A estrela, outrora esbanjando “vitalidade”, torna-se o que conhecemos como anã-branca, uma espécie de cadáver estelar de tamanho reduzido. Claro que tudo isso ocorre lentamente, sem grandes explosões, como alguns imaginam. Todavia, esse final não deixa de ser cinematográfico. Ao expulsar suas camadas gasosas, a estrela gera uma casulo de gás e poeira ao seu redor que, quando emite “luz” induzida pela estrela anã, forma uma das grandes maravilhas da Astronomia: uma Nebulosa Planetária. Isso é exatamente o que vemos na Nebulosa do Anel do Sul.

Quando estes astros começaram a ser descobertos no século XVIII, eram puro mistério. A denominação de Nebulosa Planetária foi feita pelo astrônomo germano-britânico William Herschel que, com telescópios modestos, enxergava-as como astros esféricos e coloridos, com aspectos parecidos com os planetas do Sistema Solar. Apenas no século passado começamos a entender sua gênese e hoje sabemos que elas não têm relação nenhuma com os planetas. O que cria estes astros admiráveis é a interação da radiação da estrela anã-branca em processo de morte com os gases outrora expulsos pela gigante vermelha, no passado. Essa interação se dá de forma energética, em geral com a estrela bombardeando seus arredores com partículas como prótons e elétrons e potentes feixes de radiação ultravioleta. Todo este arsenal faz o gás ao redor da estrela se comprimir e emitir luz, enchendo de cores e fascínio o espaço ao seu redor. São inúmeros os exemplos de nebulosas planetárias famosas tais como a Nebulosa da Borboleta, a Nebulosa da Hélice, a Nebulosa Olho de Gato e nosso destaque, a Nebulosa do Anel do Sul.

 

Parte III – Desvendando a Nebulosa do Anel do Sul

Embora possa parecer que conseguimos explicar satisfatoriamente estes astros, as aparências enganam. Há muitas perguntas a serem respondidas e as imagens do James Webb chegaram para, literalmente, lançar uma luz sobre algumas questões. Uma delas se refere a explicar as inúmeras formas diferentes observadas nas nebulosas planetárias. Bolhas, arcos, formatos bipolares ou de cones duplos, espirais, assimetrias e coisas ainda mais estranhas são vistas nestes objetos. Uma das hipóteses lançadas é que estes formatos podem ser resultado da interação não apenas de uma, mas de duas ou mais estrelas. Ideia lançada, é hora de testar com a Nebulosa do Anel do Sul.

As imagens de alta resolução do James Webb foram analisadas com cuidado pela equipe. Elas foram escolhidas não só por serem as melhores até o momento, mas por detectarem a radiação infravermelha da nebulosa, que é invisível ao olho humano, mas, que neste caso, permite um estudo mais completo dos gases e poeira estelar. Utilizando filtros adequados e combinando-os para gerar as imagens coloridas (Parte IV deste texto), os dados nos revelam tanto a parte mais interna da nebulosa, onde o gás é mais quente próximo à estrela, quanto as regiões mais exteriores, onde o gás é mais frio. As duas imagens podem ser vistas abaixo:

Figura 2: A Nebulosa do Anel do Sul vista com dois filtros (faixas de energia) diferentes no infravermelho. A imagem da esquerda evidência melhor a região interna da nebulosa, mostrando o formato oval mais destacado e o anel que o cerca. A imagem da direita nos dá informação sobre a região mais exterior, onde o gás é mais frio e apresenta-se na forma de moléculas que se espalham por uma região mais extensa e heterogênea, formando arcos, nódulos e jatos. Créditos: NASA, ESA, CSA, and O. De Marco (Macquarie University) e J. DePasquale (STScI), no processamento da imagem.

 

A pesquisadora Isabel Aleman comenta sobre as primeiras impressões da imagem frisando que “o gás quente é bastante uniforme, mas o gás frio mostra esses pequenos clumps, raios e arcos. As imagens do Webb são muito, muito ricas em detalhes.”  A imagem acima (esquerda) já revela também uma das suspeitas iniciais: a Nebulosa do Anel do Sul é formada por um sistema estelar. Entretanto, como entender este processo?

À medida que os dados foram sendo reunidos, os pesquisadores lançaram hipóteses ainda mais ousadas, de que a estrutura da nebulosa seria formada por interação entre mais de duas estrelas. As pistas começaram a surgir quando um disco de poeira estelar foi detectado ao redor da estrela de cor vermelha que vemos na Figura 2, à esquerda. Essa poeira deixa a estrela avermelhada e foi exatamente dela que os gases que formam a nebulosa foram ejetados. Ela é, como podemos denominar, a estrela que desencadeou o processo de formação da nebulosa. O Webb também flagrou arcos e regiões brilhantes como retas, o que segundo a hipótese dos pesquisadores, poderiam ter sido criadas pela interação das duas estrelas centrais na forma de jatos de matéria, há milhares de anos atrás. Ao expandir e se afastar das estrelas, estes jatos se tornam frios e geram arcos e coisas mais turbulentas como vemos na imagem abaixo, nos quadros 1 e 2:

Figura 3: Um zoom na Nebulosa do Anel do Sul mostrando regiões (1 e 2) onde a matéria estelar flui para fora, possivelmente gerada pela interação das estrelas centrais há milhares de anos atrás. Créditos: NASA, ESA, CSA, and O. De Marco (Macquarie University) e J. DePasquale (STScI), no processamento da imagem.

 

Os autores usaram simulações computacionais para tentar reproduzir o cenário da nebulosa e obtiveram um excelente acordo com as observações. Elas indicam que a nebulosa deve ter sido criada de forma a mostrar assimetrias no espaço e no tempo, corroborando ainda mais para a hipótese do sistema de estrelas. Ao tentar reproduzir a nebulosa em três dimensões nos modelos computacionais e confrontando com as imagens do Webb, os pesquisadores enriquecem a ideia original: no passado, ao começar a se expandir e morrer, a estrela vermelha no centro deve ter interagido com outras duas ou três, sendo ainda cercada por mais duas espectadoras distantes. Essa hipótese é a única até o momento que poderia explicar os arcos e jatos em forma assimétrica, embora elas não tenham sido detectadas pelo James Webb. Para De Marco, “Assim que vimos os jatos, sabíamos que deveria haver outra estrela ou até duas envolvidas no centro, então acreditamos que haja uma ou duas companheiras muito próximas, uma adicional a meia distância e uma muito distante. Se for esse o caso, há quatro ou até cinco objetos envolvidos nessa morte confusa”.

Figura 4: Está imagem mostra o sucesso da modelagem da Nebulosa do Anel do Sul. As imagens da esquerda mostram, em simulações computacionais, a emissão de gases de Hidrogênio expandindo para fora da nebulosa depois de 3800 (acima) e 4000 anos (abaixo), respectivamente. No painel da direita, as regiões externas da Nebulosa nas imagens do Webb. É impressionante como os modelos reproduzem a natureza com quase perfeição. Créditos: NASA, ESA, CSA, and O. De Marco (Macquarie University) e J. DePasquale (STScI), no processamento da imagem.

 

Embora tenha nascido com quase 3 vezes a massa do Sol, a estrela anã-branca responsável pela nebulosa tem hoje aproximadamente 60% da massa da nossa estrela, segundo as medidas realizadas. Sua estrela companheira detectada pelas imagens do Webb (a estrela branca brilhante na figura 1) é uma estrela ainda estável, mas que provavelmente não teve participação direta na formação da nebulosa por estar relativamente distante fisicamente e ser bem mais fria que a estrela mãe.

Qual a importância desta descoberta? O cenário para formação da Nebulosa do Anel do Sul começa a ser desvendado pelas imagens do Webb e abre caminho para outras análises destes astros que desafiam os astrônomos há quase 3 séculos. No futuro (em mais de 5 bilhões de anos), espera-se que nosso Sol torne-se também uma nebulosa planetária, após seu longo período de vida como a estrela que conhecemos. Ao estudar a NGC 3132, estamos dando passos importantes para conhecer também, o futuro da nossa estrela.

Como que montando um quebra cabeça, os autores do trabalho apresentam um enredo pomposo para um verdadeiro teatro da morte estelar: Há aproximadamente 2500 a 5 mil anos um sistema estelar de 4 ou 5 estrelas começou a ruir quando sua estrela principal se tornou uma gigante vermelha e interagiu diretamente com uma ou duas estrelas em sua vizinhança. A interação com estas estrelas pode ter produzido os jatos e arcos que observamos nas regiões exteriores. A interação da estrela mãe com sua companheira mais próxima ou o par produziu um disco de poeira estelar denso que deixou a estrela mãe obstruída. Não se sabe se estas estrelas ainda estão lá ou foram engolidas pela estrela mãe. Um pouco mais afastado, a uma distância equivalente a 40 – 60 distâncias Terra-Sol, uma outra estrela companheira deve estar presente e ter papel importante na formação da estrutura interna da nebulosa, direcionando o fluxo de material do centro para fora. Em uma órbita ainda mais longa, a estrela mais brilhante atual do sistema participa de forma mais modesta desta aventura, sendo ela a estrela mais evidente que vemos hoje no centro da Nebulosa do Anel do Sul. A figura abaixo (Figura 5) é uma concepção artística de todo o processo evolutivo que deve ter sido encenado para gerar a nebulosa como conhecemos hoje.  Este processo, entretanto, não para. O astro continua suscetível a mudanças e a dinâmica destas nebulosas nos ensina que é sempre bom estarmos atentos para novas surpresas.

Esta aventura no espaço e no tempo nos revela os restos de uma morte estelar sendo moldada por estrelas companheiras em um cenário dramático. O ato final parece ser, entretanto, glorioso, estabelecendo novamente as Nebulosas Planetárias como verdadeiros tesouros cósmicos da Via Láctea.

 

Figura 5: Esta imagem em formato de painel é uma concepção artística, segundo as hipóteses dos autores, de todos os processos físicos que devem ter ocorrido no passado para gerar a Nebulosa do Anel do Sul como observamos hoje com as imagens do Webb. O painel 1 (alto à esquerda) mostra um campo mais amplo com as estrelas 1, 2 e 5, a última das quais orbita a estrela 1 (estrela mãe) bem mais próxima do que a estrela 2. O painel 2 amplia a cena e duas outras estrelas (3 e 4) são visíveis; a estrela 3 está emitindo jatos. O painel 3 mostra a estrela 1 expandindo à medida que envelhece como uma gigante vermelha. Ambas as estrelas 3 e 4 enviaram uma série de jatos para o espaço. No painel 4, diminuímos o zoom para ver como a luz e os ventos estelares estão gerando uma cavidade semelhante a uma bolha, já com a nebulosa planetária sendo criada. A estrela mãe (1) é cercada por um disco de poeira estelar que a obstrui. No quinto painel, a estrela 5 está interagindo com o gás e a poeira ejetados, gerando o sistema de grandes anéis vistos na nebulosa externa. O sexto painel retrata a cena como a observamos hoje, com a estrela mãe (anã branca, 1) e sua companheira mais brilhante (2). Crédito: NASA, ESA, CSA, E. Wheatley (STScI).

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Parte IV – Como ver o que não vemos?  – A geração de imagens coloridas pelo JWST

O olho humano é capaz de detectar a radiação eletromagnética numa faixa que chamamos de luz visível. Essa faixa vai do vermelho ao violeta e é a mesma faixa que observamos em um arco-íris. Abaixo do vermelho essa faixa é limitada pelo que chamamos de radiação infravermelha, e acima do violeta é limitada pela radiação ultravioleta, ambas invisíveis aos seres humanos.

A luz visível, ao atingir a retina do olho humano, estimula três tipos de células, chamadas cones, um para a luz vermelha, um para a luz verde e outro para a luz azul. Nosso cérebro recebe a informação do quanto cada uma dessas três cores de luz atingiu a retina e faz um processo aditivo das três cores: vermelho, verde e azul. O resultado desse processo é a cor que enxergamos, que pode ser qualquer cor de luz dentro da faixa do visível. De forma resumida, podemos dizer que qualquer cor de luz visível é uma combinação das luzes vermelha, verde e azul (o famoso RGB – Red, Green e Blue).

Mais recentemente um novo telescópio, o Telescópio Espacial James Webb, vem ocupando lugar de destaque na Astronomia ao revelar detalhes nunca antes vistos de objetos cósmicos dos mais variados tipos. Todos os seus instrumentos foram projetados para captar a luz na região do infravermelho, ou seja, numa região invisível aos nossos olhos. Como então são geradas imagens coloridas, que somos capazes de ver, a partir de um tipo de luz que não podemos ver?

Cada imagem capturada pelo James Webb é obtida coletando luz de uma determinada faixa do infravermelho. A posição e a largura dessa faixa são escolhidas pelos astrônomos, através de filtros, de forma a destacar características cientificamente relevantes do objeto imageado. A imagem resultante é uma imagem monocromática, não tem cor, mas é suficientes para as análises científicas. Ao obtermos três dessas imagens monocromáticas, cada uma com um filtro diferente, podemos através de um software, atribuir cada uma dessas três imagens à tríade RGB e, através de um processo aditivo feito pelo próprio software, combiná-las, e assim obter uma imagem colorida visível para nós.

Esse processo, é o processo de geração de praticamente toda imagem astronômica colorida. Basta escolher três filtros, que vão selecionar a luz de determinada faixa do espectro de radiação eletromagnética (visível ou não), associar cada uma das três imagens monocromáticas obtidas ao vermelho, verde e azul (RGB que é visível) e finalmente combiná-las para obter uma imagem colorida, que nós seres humanos podemos enxergar.

A seguir vemos um exemplo de como foi feita uma imagem colorida da Nebulosa do Anel do Sul com dados coletados pelo James Webb. As três imagens da Figura 6 representam imagens monocromáticas obtidas em diferentes faixas do infravermelho, cada uma utilizando um filtro específico. A primeira das três imagens (Figura 6a) foi, via software, associada ao azul, a segunda (Figura 6b) associada ao verde e a terceira e última (Figura 6c) associada ao vermelho. Depois, novamente via software, elas são combinadas produzindo a imagem colorida da Figura 7.

a                                                                  b                                                                 c

Figura 6: (a) imagem obtida com o filtro da faixa estreita centrada em 2120nm – NIRCam/F212N. (b) imagem obtida com o filtro de faixa estreita centrada em 4700nm – NIRCam/F470N. (c) imagem obtida com o filtro de faixa larga centrada em 7700nm – MIRI/F770W. Repare que as faixas das capturas estão bem distantes da faixa do visível, que vai de 400nm até 700nm aproximadamente. Ou seja, estão dentro do infravermelho. Créditos: Imagens obtidas na base de dados do James Webb em https://archive.stsci.edu/missions-and-data/jwst

 

Figura 7: Imagem final colorida resultado da combinação das três imagens monocromáticas da Figura 6. Créditos: NASA, ESA, CSA, and O. De Marco (Macquarie University) e J. DePasquale (STScI), no processamento da imagem.

 

 

Texto: Daniel Mello (Partes I, II e III) e Igor Borgo (Parte IV)

 

Link para a publicação do artigo na revista Nature Astronomy:

https://www.nature.com/articles/s41550-022-01845-2

Fontes originais das imagens:

https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-captures-dying-star-s-final-performance-in-fine-detail

https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2022/news-2022-059#section-id-2