SN 2024ggi: a frente de choque de uma supernova vista com forma definida no instante em que rompe a superfície estelar

Pela primeira vez, uma equipa de cientistas conseguiu determinar a forma da frente de choque de uma supernova no momento em que esta atravessa e rompe a “pele” de uma estrela no fim da sua vida.

A supernova SN 2024ggi, observada numa fase excecionalmente precoce em abril de 2024 a cerca de 23,6 milhões de anos‑luz, mostrou por instantes uma geometria ovóide, semelhante a uma azeitona. Pouco depois, essa frente de choque embateu no material que envolvia a estrela - um detalhe que ajuda a completar lacunas sobre os primeiros momentos da evolução de uma supernova.

Se o fenómeno tivesse sido identificado apenas um dia mais tarde, estes sinais teriam passado despercebidos. O caso sublinha o valor científico de detetar supernovas cedo, a rapidez necessária para reposicionar instrumentos e o motivo pelo qual técnicas de observação diferentes podem revelar informação que a fotometria e a espectroscopia tradicionais não conseguem alcançar.

“A geometria de uma explosão de supernova fornece informação fundamental sobre a evolução estelar e sobre os processos físicos que conduzem a estes fogos‑de‑artifício cósmicos”, afirma a astrofísica Yi Yang, da Universidade de Tsinghua (China), primeira autora do novo artigo sobre a SN 2024ggi.

O que leva uma estrela massiva a explodir

A morte de uma estrela muito massiva é desencadeada por um mecanismo complexo que começa quando o seu núcleo fica sem “combustível” adequado para continuar a sustentar a pressão interna. As estrelas vivem num equilíbrio delicado: no núcleo, fundem átomos leves para formar elementos mais pesados - hidrogénio em hélio, e assim sucessivamente. Como os produtos da fusão têm, no total, menor massa do que os seus constituintes, a diferença transforma‑se em energia, produzindo a pressão para fora que mantém a estrela estável contra a gravidade.

Em estrelas acima de um certo limiar de massa, a fusão, ao longo de eras, vai acumulando no núcleo elementos cada vez mais pesados até chegar ao ferro, que representa o ponto de paragem da fusão. A partir daí, fabricar elementos mais pesados do que o ferro exigiria mais energia do que aquela que seria libertada, pelo que o núcleo deixa de conseguir gerar a pressão para fora necessária à estabilidade. Esse é o gatilho para a supernova.

Daí em diante, tudo acontece depressa. A estrela começa a colapsar, e forma‑se uma onda de choque que se propaga para o interior, em direção ao núcleo, onde “ressalta” e é lançada para fora, abrindo caminho através das camadas externas até perfurar a superfície estelar.

Entre esse rompimento e o embate com o gás que a estrela tinha expelido nos séculos anteriores à explosão, existe apenas um intervalo muito curto.

Fase de ruptura da onda de choque: o clarão que dura horas

Esse intervalo breve é a fase de ruptura da onda de choque: o instante em que o choque atravessa a superfície da estrela e é seguido quase de imediato por um flash luminoso que se esbate ao longo de poucas horas.

Ao longo dos anos, os astrónomos conseguiram registar esta fase algumas vezes, com diferentes níveis de pormenor. O que torna as observações da SN 2024ggi particularmente notáveis é a utilização de espectropolarimetria com o Telescópio Muito Grande (VLT) do Observatório Europeu do Sul (ESO) - um método que mede a polarização da luz em várias regiões do espectro.

“A espectropolarimetria fornece informação sobre a geometria da explosão que outros tipos de observação não conseguem oferecer, porque as escalas angulares são demasiado pequenas”, explica o astrónomo Lifan Wang, da Universidade Texas A&M.

Um ponto importante é que a polarização não é apenas um “detalhe técnico”: quando a luz é espalhada por matéria com uma distribuição não esférica, a assinatura polarimétrica guarda pistas diretas sobre assimetrias e orientações preferenciais. Em explosões tão distantes, onde não é possível “ver” a forma como se veria um objeto próximo, esta abordagem funciona como uma espécie de tomografia geométrica.

O VLT apanhou a explosão cedo - e a forma não era esférica

A equipa iniciou observações espectropolarimétricas da evolução da SN 2024ggi apenas 26 horas após a deteção e manteve o acompanhamento durante vários dias. De forma notável, os dados incluíram a própria fase de ruptura, revelando uma onda de choque não esférica, mas sim alongada, com aparência de azeitona (ou de bola de râguebi) ao longo de um eixo preferencial.

“As primeiras observações com o VLT captaram a fase em que a matéria acelerada pela explosão, perto do centro da estrela, atravessou a superfície”, afirma o astrónomo Dietrich Baade, do Observatório Europeu do Sul (ESO). “Durante algumas horas, a geometria da estrela e a geometria da sua explosão puderam ser - e foram - observadas em simultâneo.”

À medida que a supernova foi evoluindo, os astrónomos voltaram a identificar a mesma assinatura geométrica no material em expansão rico em hidrogénio que foi arremessado para o espaço. Isto sugere que a forma observada no rompimento não foi um acaso: terá sido imposta por um mecanismo em grande escala capaz de preservar um eixo bem definido desde os instantes iniciais até fases posteriores.

Quando o choque encontra o material expelido, o eixo muda

Há, contudo, uma reviravolta: quando a onda de choque avançou para dentro do material que a estrela tinha perdido nos séculos que antecederam a supernova, o eixo preferencial aparentou deslocar‑se. Isto aponta para um cenário em que o material circundante estaria orientado de forma diferente do eixo dominante da própria explosão.

O significado exato desta mudança ainda não é claro. Uma explicação plausível é a presença (atual ou passada) de uma companheira binária, cuja gravidade poderia ter moldado a geometria do gás expelido e, por consequência, influenciado a forma como a explosão interage com o meio à sua volta.

Além de ajudar a compreender como as assimetrias nascem e persistem, resultados deste tipo servem para calibrar simulações de supernovas e para ligar o que se vê na luz a processos internos (como instabilidades e fluxos) que, de outra maneira, ficariam escondidos. Em termos práticos, quanto melhor se compreender a geometria inicial, melhor se conseguem interpretar as assinaturas que aparecem dias e semanas depois, quando a emissão passa a ser dominada por camadas mais externas e por interações com o ambiente.

É impressionante que se consiga inferir tudo isto a partir de 23,6 milhões de anos‑luz de distância.

A investigação foi publicada na revista Avanços da Ciência.