Astrónomos descobrem irregularidades no núcleo de gigantes vermelhas

Imagem artística de ondas, de diferentes frequências, a propagarem-se nas camadas interiores de uma estrela. Os modos p, ondas acústicas (ou de pressão), a branco, passam a maior parte do seu tempo na camada mais exterior da estrela e são detetáveis à superfície. Os modos g, ondas de gravidade, a preto, atravessam a zona radiativa e contêm informação acerca do núcleo. Nas gigantes vermelhas, estes dois tipos de onda estão acoplados e as ondas resultantes transmitem informação de todas as camadas, revelando informação preciosa acerca das camadas mais interiores. (Crédito: Tania Cunha (Planetário do Porto - Centro Ciência Viva)/Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço)

As gigantes vermelhas são estrelas moribundas, nos estágios finais da evolução estelar, que esgotaram o hidrogénio nos seus núcleos. Neste trabalho1, publicado hoje na revista científica Nature Communications, uma equipa2, maioritariamente composta por investigadores do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA3), encontrou indícios de que as gigantes vermelhas têm “falhas” – variações estruturais abruptas – no seu núcleo.

Infelizmente, é impossível olhar diretamente para o interior de uma estrela. No entanto, uma técnica chamada asterossismologia4, que mede oscilações semelhantes a “terramotos” nas estrelas, permite-nos vislumbrar indiretamente o interior estelar. As “falhas” detetadas neste estudo afetam  a frequência e o trajeto das ondas sonoras e de gravidade, que dão origem às  oscilações observadas.

A investigadora do IA  Margarida Cunha esclarece que: “A propagação de ondas  no interior das estrelas dá origem a minúsculas variações do brilho das mesmas, que podem ser detetadas por instrumentos no espaço. Estas ondas revelam as condições do meio por onde se propagam e, desta forma, fornecem informação acerca das propriedades físicas do interior das estrelas”.

“Este trabalho apresenta a primeira caracterização das descontinuidades estruturais presentes no núcleo de estrelas gigantes vermelhas, o que nos permite, pela primeira vez, sondar com precisão os processos físicos que ocorrem nessa zona”.
Mathieu Vrard

A equipa usou dados do telescópio espacial Kepler (NASA) para detetar e estudar ondas que se propagam até às camadas mais profundas de estrelas velhas. O primeiro autor deste trabalho,  Mathieu Vrard, que iniciou este trabalho no IA, mas que atualmente trabalha na Ohio State University, explica: “Ao analisar estas variações, podemos inferir, não só  as propriedades globais da estrela, mas também informação precisa acerca da estrutura destes astros”.

As gigantes vermelhas de baixa massa, após iniciarem a fusão de hélio nos seus núcleos, são frequentemente usadas em estudos para determinar distâncias e densidade galáctica, bem como para compreender melhor os processos físicos que ditam a evolução química das estrelas. Por isso, é vital que os investigadores criem modelos precisos destas estrelas. Para isso precisam de compreender a causa destas descontinuidades.

Esquema da evolução de uma estrela, desde a sequência principal até à fase de gigante vermelha. As estrelas deste estudo são as no final desta linha, que têm um núcleo onde ocorre fusão do hélio. Os diferentes estágios evolutivos não estão à escala. (Crédito: Thomas Kallinger, U. of British Columbia e U. Vienna)

Nesta investigação, a equipa analisou uma amostra de 359 gigantes vermelhas, com massas abaixo de um determinado valor, para medir as suas oscilações individuais e várias propriedades dessas estrelas. No final descobriram que quase 7% destas estrelas apresentam descontinuidades estruturais.

Há duas teorias que tentam explicar como é que estas perturbações ocorrem. A primeira afirma que as “falhas” estão presentes ao longo da evolução da estrela, mas, regra geral, são pouco intensas e ficam abaixo do limite a partir do qual os investigadores as catalogariam como verdadeiras descontinuidades.

A segunda sugere que estas irregularidades são “suavizadas” por um processo físico desconhecido, que mais tarde dá origem a mudanças na estrutura do núcleo da estrela.

Este estudo não favorece a primeira hipótese, mas são precisos mais dados para que os investigadores possam confirmar com segurança a segunda. Diego Bossini (IA) explica: “Este trabalho mostra os limites dos nossos modelos atuais, e dá-nos pistas para encontrarmos formas de os melhorar”.

Notas

  1. O artigo “Evidence of structural discontinuities in the inner core of red-giant stars”, foi publicado hoje na revista Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-022-34986-z).
  2. A equipa é composta por: Mathieu Vrard, Margarida S. Cunha, Diego Bossini, Pedro P. Avelino, Enrico Corsaro & Benoît Mosser.
  3. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) é a instituição de referência na área em Portugal, integrando investigadores da Universidade de Lisboa, Universidade de Coimbra e Universidade do Porto, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação de unidades de investigação e desenvolvimento organizada pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UIDB/04434/2020 e UIDP/04434/2020).
  4. A asterossismologia é o estudo do interior das estrelas através da sua atividade sísmica medida à superfície. Em sismologia, os diferentes modos de vibração de um tremor de Terra podem ser usados para estudar o interior da Terra, ao fornecerem dados acerca da composição e profundidade das diversas camadas. De forma semelhante, as oscilações observadas à superfície de uma estrela podem ser usadas para inferir dados sobre a sua estrutura interna, composição e idade.

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Margarida Cunha, Mathieu Vrard

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