Astrónomos filmam em tempo real o nascimento de um magnetar extremo.

Em cerca de mil milhões de anos-luz de distância, uma explosão estelar brilha cem mil milhões de vezes mais do que o nosso Sol. Uma equipa internacional, apoiada por uma rede inteira de telescópios, observa o fenómeno e apanha, pela primeira vez em tempo real, o momento em que nasce no centro dessa explosão uma estrela magnética extremamente rara: um magnetar. O sinal rompe com todos os padrões habituais e, ao mesmo tempo, confirma previsões da teoria da relatividade de Einstein num dos testes mais severos de sempre.

Uma supernova que não segue as regras

A 14 de setembro de 2024, a Zwicky Transient Facility, na Califórnia, assinala um novo objeto no céu: uma supernova numa galáxia distante, baptizada SN 2024afav. À primeira vista, tudo parece corresponder a uma explosão estelar normal, ainda que muito intensa. Mas, pouco depois, acontece algo que faz soar imediatamente os alarmes dos astrónomos.

O brilho não desce como seria esperado. Em vez de enfraquecer de forma nítida ao fim de poucas semanas, o objeto mantém-se extraordinariamente luminoso durante muitas semanas. É precisamente esta recusa em esmorecer que torna o caso tão intrigante.

Perante isso, o doutorando Joseph Farah, da Universidade da Califórnia em Berkeley, organiza uma campanha de observação em escala global. Cerca de vinte observatórios em cinco continentes apontam os seus instrumentos para a supernova e acompanham o espetáculo durante 200 dias, praticamente sem interrupções.

Quatro impulsos de luz na supernova SN 2024afav

Entre o dia 45 e o dia 95 após a explosão, surge no fluxo de dados algo completamente inesperado. A luminosidade não oscila ao acaso, mas segue um padrão bem definido.

• Quatro ondas de brilho claramente distinguíveis
• primeiro separadas por cerca de 12 dias
• depois com o intervalo a reduzir-se para cerca de 10 dias
• em paralelo, a intensidade das ondas aumenta

Em vez de abrandar, o padrão acelera. E é justamente essa aceleração que fornece a pista decisiva. Ela ajusta-se a uma situação física muito específica: no interior da explosão terá de ter ficado um remanescente extremamente compacto e em rotação rápida - uma estrutura semelhante a uma estrela de neutrões, com um campo magnético mil milhões de vezes mais forte do que o da Terra.

O sobe e desce ordenado e cada vez mais rápido da luminosidade denuncia que há um motor escondido no centro da supernova - um magnetar acabado de nascer.

À volta desse magnetar acumula-se um anel quente de material de detritos, composto sobretudo por ferro, níquel e outros elementos pesados. Se esse anel não for perfeitamente simétrico, começa a oscilar, como um pião que levou um pequeno toque. Sempre que a face mais espessa ou mais brilhante do anel roda na nossa direção, os telescópios registam um pico de luminosidade. Quatro voltas completas de oscilação produzem quatro impulsos.

Relatividade em prova extrema

A distância entre os impulsos vai ficando mais curta com o tempo. Isso não é fruto do acaso, mas antes de um efeito do próprio espaço-tempo. A massa incrivelmente densa do magnetar - cerca de 500.000 vezes a massa da Terra comprimida numa esfera com apenas cerca de 16 quilómetros de diâmetro - deforma o ambiente de tal forma que até o espaço-tempo é arrastado pela rotação.

Os físicos falam em arrastamento dos referenciais, ou efeito de Lense-Thirring. Assim, o anel de detritos em oscilação não se move num espaço “normal”, mas num espaço-tempo arrastado pela rotação da estrela. Isso altera a forma como o anel oscila: o período encurta e os intervalos entre os impulsos diminuem.

A equipa de Farah calcula, com base na relatividade, o grau de alteração esperado dessa “velocidade de oscilação” ao longo do intervalo observado. O resultado aponta para uma aceleração de cerca de 15 por cento. Nos dados, aparece praticamente o mesmo valor. Com isso, torna-se muito convincente excluir tanto uma coincidência estatística como um erro de medição.

A supernova transforma-se num laboratório cósmico: as equações de Einstein resistem a um dos testes mais extremos até hoje possíveis num ambiente estelar.

O magnetar invisível e o seu véu luminoso

Ninguém consegue ver o magnetar diretamente. Ele está enterrado no espesso véu de destroços da supernova. Esse material é tão opaco que a sua própria radiação fica presa no interior. Só as alterações de ritmo na luz do anel de detritos denunciam o objeto oculto.

A situação lembra os métodos usados para descobrir planetas em torno de estrelas distantes. Também aí, na maior parte das vezes, o planeta em si permanece invisível. O que o denuncia é apenas o efeito que produz na luz da estrela.

No caso de SN 2024afav, os espectros - ou seja, a divisão detalhada da luz nas suas cores - revelam uma composição compatível com a de uma estrela progenitora muito massiva, com cerca de 20 a 25 massas solares. Estrelas deste tipo tendem a produzir explosões extremamente energéticas e oferecem o cenário ideal para a formação de um magnetar.

Porque é que a supernova SN 2024afav se mantém tão luminosa

Há anos que os astrofísicos tentam perceber por que razão certas supernovas permanecem luminosas durante tanto tempo, quebrando os modelos normais. Três hipóteses estavam em cima da mesa:

• processos de decaimento radioativo invulgarmente intensos nos detritos,
• colisão da onda de choque com uma camada densa de matéria em torno da estrela,
• um magnetar no interior a fornecer energia.

A nova observação afasta as duas primeiras hipóteses. Os impulsos nítidos e acelerados ajustam-se apenas à terceira opção. O magnetar jovem parece rodar várias centenas de vezes por segundo. O seu campo magnético extremamente forte transforma-o numa máquina cósmica de energia.

Parte da enorme energia de rotação sai sob a forma de radiação e de vento de partículas para a nuvem envolvente. É por isso que o véu de detritos se mantém aquecido durante mais tempo e continua a brilhar muito mais do que aconteceria numa supernova normal.

À caça de magnetares escondidos

Os investigadores já encontraram em dados de arquivo outras duas supernovas cujas curvas de luz têm um aspeto suspeitamente semelhante, embora menos estruturado. O que antes podia parecer um erro de medição ou uma curiosidade poderá, em retrospetiva, revelar-se como mais um indício de nascimentos de magnetares.

Com novos telescópios de grande porte, o número destes achados deverá aumentar de forma clara. O Observatório Vera C. Rubin, por exemplo, deverá mapear sistematicamente o céu do hemisfério sul todas as noites e registar inúmeros fenómenos celestes de curta duração. Os especialistas estimam que será possível encontrar, por ano, dezenas de supernovas extremamente luminosas com estruturas de impulsos suspeitas.

Isso permitiria montar, pela primeira vez, uma espécie de “estatística dos nascimentos de magnetares”: com que frequência surgem? Em que tipos de galáxia são mais prováveis? Em que medida variam as suas propriedades? As respostas a estas perguntas ajudam a compreender melhor, no geral, a vida e a morte das estrelas massivas.

O que é um magnetar e porque é tão extremo

Os magnetares estão entre os objetos mais exóticos do cosmos. Fazem parte da família das estrelas de neutrões, o estado final das estrelas particularmente massivas. Quando uma dessas estrelas colapsa, protões e eletrões nos núcleos atómicos são “espremidos” até se transformarem em neutrões, e a matéria atinge uma densidade que, normalmente, só se encontra no interior do núcleo atómico.

Um magnetar típico tem uma massa comparável à do Sol, mas um diâmetro de apenas algumas dezenas de quilómetros. Ao mesmo tempo, transporta um campo magnético que pode ser muitas biliões de vezes mais forte do que o da Terra. Esse campo despedaça átomos e forma à volta da estrela uma espécie de “gaiola magnética” composta por partículas carregadas.

Os magnetares são conhecidos, entre outras coisas, como fonte de surtos de radiação extremamente breves, mas de energia colossal. Estes eventos podem provocar efeitos mensuráveis mesmo a milhões de anos-luz de distância. Para a Terra, o conhecimento atual não indica qualquer risco concreto, mas uma grande erupção nas nossas vizinhanças galácticas afetaria, ainda assim, de forma percetível a infraestrutura de satélites e as comunicações por rádio.

Porque esta observação é tão valiosa para a física

Acompanhar em tempo real o nascimento de um magnetar não serve apenas para produzir imagens e gráficos impressionantes. O processo cria um cenário experimental natural que os laboratórios terrestres nunca conseguiriam reproduzir. Em mais lado nenhum é possível juntar tanta massa, gravidade, campo magnético e velocidade num espaço tão reduzido.

Os físicos usam sistemas deste tipo para testar teorias da gravitação, da física de partículas e da física de plasmas. Mesmo pequenas diferenças entre o que é previsto e o que é medido podem apontar para nova física - por exemplo, para partículas adicionais, para uma modificação da gravidade ou para interações ainda desconhecidas em meios extremamente densos.

Ao mesmo tempo, supernovas extremamente luminosas fornecem pistas sobre a forma como elementos pesados - como ferro, níquel ou ouro - são produzidos e distribuídos no Universo. Esses elementos acabam, mais tarde, em novas estrelas, em planetas e, em última análise, também nos nossos próprios corpos. Perceber como se formam os magnetares é, portanto, compreender mais uma peça da nossa própria origem cósmica.