Como estrelas massivas em sistemas binários se transformam em fábricas de carbono

Como estrelas massivas em sistemas binários se transformam em fábricas de carbono

17 de agosto de 2022 0 Por ucrhyan
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Estrelas massivas com parceiros lançam cerca de duas vezes mais carbono no espaço do que seus pares solteiros

A próxima vez que você agradecer a sua estrela da sorte, você pode querer abençoar os binários. Novos cálculos indicam que uma estrela massiva cuja camada externa é arrancada por uma estrela companheira acaba liberando muito mais carbono do que se a estrela tivesse nascido solitária.

“Essa estrela está produzindo cerca de duas vezes mais carbono do que uma única estrela produziria”, diz Rob Farmer, astrofísico do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, Alemanha.

Toda a vida na Terra é baseada no carbono, o quarto elemento mais abundante no cosmos, depois do hidrogênio, hélio e oxigênio. Como quase todos os elementos químicos mais pesados que o hélio, o carbono é formado nas estrelas (SN: 2/12/21). Para muitos elementos, os astrônomos conseguiram identificar a fonte principal. Por exemplo, o oxigênio vem quase inteiramente de estrelas massivas, a maioria das quais explode, enquanto o nitrogênio é produzido principalmente em estrelas de menor massa, que não explodem. Em contraste, o carbono surge tanto em estrelas massivas quanto em estrelas de menor massa. Os astrônomos gostariam de saber exatamente quais tipos de estrelas forjaram a maior parte desse elemento vital.

Farmer e seus colegas analisaram especificamente estrelas massivas, que são pelo menos oito vezes mais pesadas que o Sol, e calcularam como elas se comportam com e sem parceiros. As reações nucleares no núcleo de uma estrela massiva primeiro transformam hidrogênio em hélio. Quando o núcleo fica sem hidrogênio, a estrela se expande e logo o núcleo começa a converter hélio em carbono.

Mas as estrelas massivas geralmente têm estrelas companheiras, adicionando uma reviravolta ao enredo: quando a estrela se expande, a gravidade da companheira pode rasgar o envelope externo da estrela maior, expondo o núcleo de hélio. Isso permite que o carbono recém-cunhado flua para o espaço por meio de um fluxo de partículas.

“Nessas estrelas muito massivas, esses ventos são bastante fortes”, diz Farmer. Por exemplo, os cálculos de sua equipe indicam que o vento de uma estrela nascida com 40 vezes a massa do Sol com um companheiro próximo ejeta 1,1 massas solares de carbono antes de morrer. Em comparação, uma única estrela nascida com a mesma massa ejeta apenas 0,2 massa solar de carbono, relatam os pesquisadores em um artigo submetido ao arXiv.org em 8 de outubro e na imprensa no Astrophysical Journal.

Se a estrela massiva explodir, ela também pode superar uma supernova de uma estrela massiva solitária. Isso porque, quando a estrela companheira remove o envelope da estrela massiva, o núcleo de hélio encolhe. Essa contração deixa algum carbono para trás, fora do núcleo. Como resultado, as reações nucleares não podem converter esse carbono em elementos mais pesados, como o oxigênio, deixando mais carbono para ser lançado no espaço pela explosão. Se a estrela fosse única, o núcleo teria destruído muito desse carbono.

Ao analisar a saída de estrelas massivas de diferentes massas, a equipe de Farmer conclui que a estrela massiva média em um binário ejeta de 1,4 a 2,6 vezes mais carbono através de ventos e explosões de supernovas do que a estrela massiva média que é única.

Dada a quantidade de estrelas massivas em binários, o astrônomo Stan Woosley diz que enfatizar a evolução de estrelas binárias, como os pesquisadores fizeram, é útil para identificar a origem de um elemento crucial. Mas “acho que eles estão fazendo uma afirmação muito forte com base em modelos que podem ser sensíveis à física incerta”, diz Woosley, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz. Em particular, ele diz, as taxas de perda de massa para estrelas massivas não são conhecidas o suficiente para afirmar uma diferença específica na produção de carbono entre estrelas simples e binárias.

Farmer reconhece a incerteza, mas “o quadro geral é bom”, diz ele. “Os binários estão produzindo mais [carbono].”