Uma anã branca é o estágio final na evolução de todas as estrelas, exceto as mais massivas, no céu. Antes disso, quando o último combustível de hidrogênio e hélio de uma estrela é exaurido, a queima nuclear não pode mais suportá-lo por sua considerável gravidade, e se contrai para um diâmetro comparável ao da Terra.
Uma anã branca embala a massa do Sol em um milionésimo de seu volume. Densidades dentro da margem de 10^9 g / cm³ - um bilhão de vezes a da água - e a única coisa que impede a implosão é a pressão de elétrons degenerados, que, obedecendo ao princípio de exclusão de Pauli, não podem se aproximar um do outro. (Veja o artigo de Hugh Van Horn, Physics Today, janeiro de 1979, página 23.)
Cinqüenta anos atrás, Hugh Van Horn previu que, à medida que uma anã branca irradia e esfria, interações eletrostáticas entre os núcleos ionizados no interior da estrela fazem com que os núcleos congelem em uma rede - mesmo em temperaturas de alguns milhões de kelvin - através da fase de transição de peimeira ordem.
A conseqüência dessa transição é a liberação do calor latente, um efeito que Van Horn percebeu que deveria ser observável, se não em estrelas individuais, em um conjunto estatístico. Como elas irradiam uma área de superfície de 1/10000 do tamanho do Sol, as anãs brancas são fracas e, há dois anos, os levantamentos de estrelas haviam encontrado menos de duzentas, em distâncias medidas com precisão.
Os alcances externos da Via Láctea, em cores. Este mapa é uma reconstrução do fluxo de luz total integrado medido pelo observatório espacial de Gaia. Até o momento, a Agência Espacial Européia, que construiu, lançou e administra o satélite, divulgou medições astrométricas de quase 3 bilhões de estrelas.
Eles pegaram um subconjunto dos dados de Gaia - cerca de 15.000 anãs brancas que residem em 100 parsecs (aproximadamente 330 anos-luz) da Terra - e povoaram um diagrama Hertzsprung-Russell (HR) com as estrelas (pontos pretos na figura). As anãs brancas eram tão variadas - abrangendo uma ampla gama de massas, luminosidades, temperaturas e idades - que Tremblay e companhia foram capazes de buscar no diagrama de RH um padrão revelador na densidade numérica prevista pela teoria. Um histograma do número de anãs brancas por unidade de volume por unidade de luminosidade confirmou que alguns milhares dessas estrelas provavelmente foram capturados no ato de passar pela transição de fase.
Este diagrama de Hertzsprung-Russell traça a magnitude absoluta de cerca de 15.000 estrelas anãs brancas (pontos pretos). Seu eixo horizontal, conforme explicado no texto, é um proxy para a temperatura. Quanto mais maciça é uma anã branca, menor e menos luminosa ela é. As curvas azuis ilustram as sequências de resfriamento de três massas de estrelas (0,6 M⊙, 0,9 M⊙ e 1,1 M⊙, de cima para baixo, onde M⊙ é a massa do Sol). As duas linhas tracejadas laranja delimitam as regiões onde os modelos preveem que 20% (acima) e 80% (abaixo) das massas anãs brancas se cristalizariam. A mudança de fase líquida para sólida é acompanhada por uma liberação de calor latente que retarda o resfriamento das estrelas e causa um aumento na densidade numérica.
A primeira pesquisa astrométrica baseada em satélite foi realizada pelo Hipparcos da ESA, que foi lançado em 1989 (ver artigo de Michael Perryman, Physics Today, junho de 1998, página 38). Seu sucessor mais capaz, Gaia, coleta mais de 30 vezes a luz e mede as posições estelares e os movimentos 200 vezes com mais precisão. Mais importante, graças às suas câmeras CCD avançadas, as medições de paralaxe da Gaia resolvem ângulos muito menores e, portanto, distâncias mais precisas do que o Hipparcos. Com essas melhores medições de distância, os astrônomos convertem o brilho aparente de cada estrela em uma magnitude absoluta - um proxy para a luminosidade, a energia total irradiada por unidade de tempo.
Desprovida da queima nuclear, acredita-se que uma anã branca exista como uma mistura homogênea de carbono e oxigênio cujos núcleos são líquidos.
(No estado de plasma ionizado da estrela, os elétrons permanecem como um gás Fermi e os núcleos são líquidos ou sólidos.)
Quando os núcleos congelam, os elementos começam a segregar. Núcleos de oxigênio carregam uma carga maior que o carbono, então eles são os primeiros a se solidificar - em um metal cúbico centrado no corpo, de acordo com os cálculos. O oxigênio também tem uma densidade mais alta do que o carbono e, após a nucleação, “escorre” do líquido e afunda no núcleo.
Tremblay e colegas esperam que o novo trabalho os ajude a desenredar a energética da sedimentação - a segregação das duas fases - da energética da cristalização. O carbono na fase líquida é forçado para fora pelo núcleo sólido enriquecido em oxigênio. A liberação de energia potencial gravitacional da sedimentação atrasa ainda mais o resfriamento.
A ausência de liberação de calor latente é descartada na evolução anã-branca: simulações que negligenciam calor latente e sedimentação produzem a linha preta tracejada mal ajustada na figura 3. Simulações progressivamente melhores - responsáveis pelos efeitos do calor latente, seja sozinho (pontilhado) linha preta) ou com sedimentação (linha preta sólida) - aproxime-se, mas não coincide com os resultados experimentais (vermelho).
"Eu ficaria surpreso se nossas previsões teóricas reproduzissem perfeitamente a densidade numérica das anãs brancas", diz Fontaine. "A incompatibilidade pode, de fato, abrir a porta para uma compreensão mais apurada dos processos estelares". Por exemplo, os teóricos podem testar se as modificações na mistura inicial de carbono e oxigênio melhoram o ajuste. A julgar pela estreiteza do pico de cristalização, a transição de fase também ocorre mais rapidamente do que as simulações predizem.
Melhorias na teoria provavelmente renderão recompensas. As anãs brancas são condutores térmicos quase perfeitos e, desde 1987, suas temperaturas uniformes tornaram-nos relógios confiáveis para avaliar as idades de várias classes de sistemas estelares - aglomerados globulares, discos galácticos e outros - que os contêm.4 Embora a onipresença de anãs brancas tornaram a técnica comum, sua precisão é limitada a 15% a 20% da idade real das anãs brancas devido à sua fraqueza intrínseca.
O novo trabalho mostra que muitas das anãs brancas que vemos hoje esfriam mais devagar e são, portanto, mais antigas do que se pensava anteriormente - em 2 bilhões de anos. Por que as melhores estimativas de idade importam? Matt Caplan, um pós-doutorado no McGill Space Institute e não afiliado com o trabalho, coloca de forma sucinta: “As idades das estrelas nos dizem amplamente quando e em que quantidades elas produzem certos elementos. Só então podemos traçar a evolução química do universo em que vivemos hoje ”.
REFERÊNCIAS
1. H. M. Van Horn, Astrophys. J. 151, 227 (1968). https://doi.org/10.1086/149432, Google ScholarCrossref
2. Colaboração de Gaia, Astron. Astrophys 616, A1 (2018). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833051, Google ScholarCrossref
3. P.-E. Tremblay et al., Nature 565, 202 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0791-x, Google ScholarCrossref
4. G. Fontaine, P. Brassard, P. Bergeron, Publ. Astron Soc. Pac. 113, 409 (2001). https://doi.org/10.1086/319535, Google ScholarCrossref
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Prof. Sérgio Torres