Alex Filippenko é o tipo de cara que leva um telescópio para uma festa. Fiel à sua tradição, num sarau em 18 de maio deste ano, ele impressionou seus anfitriões com imagens de aglomerados de estrelas e galáxias coloridas – incluindo a dramática Galáxia Catavento em espiral – e tirou fotos telescópicas de cada uma delas.

Só no final da tarde seguinte ele soube que uma supernova brilhante acabara de ser descoberta na Galáxia Catavento. Vejam só, ele também a capturou, às 23h da noite anterior – onze horas e meia antes da descoberta da explosão em 19 de maio pelo astrônomo amador Koichi Itagaki no Japão.

Filippenko, professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley, o estudante de graduação Sergiy Vasylyev e o pós-doutorado Yi Yang lançaram suas observações planejadas no Observatório Lick da UC no Monte Hamilton algumas horas depois para se concentrar na estrela em explosão, que havia sido apelidado de SN 2023ixf. Eles e centenas de outros astrónomos estavam ansiosos por observar a supernova mais próxima desde 2014, a apenas 21 milhões de anos-luz da Terra.

Estas observações foram as primeiras medições da luz polarizada de uma supernova, mostrando mais claramente a evolução da forma de uma explosão estelar. A polarização da luz de fontes distantes como supernovas fornece a melhor informação sobre a geometria do objeto que emite a luz, mesmo para eventos que não podem ser resolvidos espacialmente.

"Algumas estrelas, antes de explodirem, passam por ondulações - comportamento irregular que ejeta suavemente parte do material - de modo que, quando a supernova explode, a onda de choque ou a radiação ultravioleta fazem com que a matéria brilhe", disse Filippenko. "O interessante da espectropolarimetria é que obtemos alguma indicação da forma e extensão do material circunstelar."

Os dados de espectropolarimetria contaram uma história alinhada com os cenários atuais para os anos finais de uma estrela supergigante vermelha cerca de 10 a 20 vezes mais massiva que o nosso Sol: a energia da explosão iluminou nuvens de gás que a estrela libertou ao longo dos anos anteriores; o material ejetado então perfurou esse gás, inicialmente perpendicular à maior parte do material circunstelar; e, finalmente, o material ejetado engoliu o gás circundante e evoluiu para uma nuvem de detritos simétrica, mas em rápida expansão.

A explosão, uma supernova Tipo II resultante do colapso do núcleo de ferro de uma estrela massiva, provavelmente deixou para trás uma densa estrela de nêutrons ou um buraco negro. Essas supernovas são usadas como velas calibráveis para medir distâncias até galáxias distantes e mapear o cosmos.

Outro grupo de astrônomos liderado por Ryan Chornock, professor associado adjunto de astronomia da UC Berkeley, reuniu dados espectroscópicos usando o mesmo telescópio no Observatório Lick. O estudante de graduação Wynn Jacobson-Galán e a professora Raffaella Margutti analisaram os dados para reconstruir a história pré e pós-explosão da estrela e encontraram evidências de que ela havia liberado gás nos três a seis anos anteriores antes de entrar em colapso e explodir. A quantidade de gás derramado ou ejetado antes da explosão poderia ter sido de 5% de sua massa total – o suficiente para criar uma nuvem densa de material através da qual o material ejetado da supernova teve que passar.

“Penso que esta supernova vai fazer com que muitos de nós pensemos com muito mais detalhe sobre as subtilezas de toda a população de supergigantes vermelhas que perdem muito material antes da explosão e desafiam as nossas suposições sobre a perda de massa”, disse Jacobson-Galán. “Este foi um laboratório perfeito para compreender mais detalhadamente a geometria destas explosões e a geometria da perda de massa, algo que já ignorávamos.”

A melhor compreensão de como as supernovas do Tipo II evoluem poderia ajudar a refinar a sua utilização como medidas de distância no universo em expansão, disse Vasylyev.

Os dois artigos que descrevem estas observações foram aceites para publicação no The Astrophysical Journal Letters . Margutti e Chornock são coautores de ambos os artigos, que estão atualmente disponíveis no servidor de pré-impressão arXiv .

Nos mais de três meses desde que a luz da supernova chegou à Terra, talvez três dúzias de artigos tenham sido submetidos ou publicados sobre o assunto, com mais por vir à medida que a luz da explosão continua a chegar e as observações de uma variedade de telescópios são analisadas.

"No mundo das supernovas do Tipo II, é muito raro ter basicamente todos os comprimentos de onda detectados, desde raios X fortes a raios X suaves, até ultravioleta. até óptico, infravermelho próximo, rádio, milímetro. Portanto, é realmente raro e único oportunidade", disse Margutti, professor de física e astronomia de Berkeley. “Esses papéis são o começo de uma história, o primeiro capítulo. Agora estamos escrevendo os outros capítulos da história daquela estrela.”

"A questão geral aqui é que queremos conectar a forma como uma estrela vive com a forma como uma estrela morre", disse Chornock. "Dada a proximidade deste evento, permitir-nos-á desafiar as suposições simplificadoras que temos de fazer na maioria das outras supernovas que estudamos. Temos uma riqueza de detalhes tão grande que teremos que descobrir como encaixe tudo para entender esse objeto específico, e então isso informará nossa compreensão do universo mais amplo."

Os telescópios do Observatório Lick no topo do Monte Hamilton, perto de San José, foram fundamentais para os esforços dos astrónomos para montar uma imagem completa da supernova. O espectrógrafo Kast no telescópio Shane de 120 polegadas é capaz de mudar rapidamente de um espectrômetro normal para um espectropolarímetro, o que permitiu a Vasylyev e Filippenko obter medições tanto do espectro quanto de sua polarização. O grupo liderado por Jacobson-Galán, Chornock e Margutti empregou o espectrógrafo Kast e o fotômetro no telescópio Nickel de 40 polegadas, com fotometria (medições de brilho) também do telescópio Pan-STARRS no Havaí através da colaboração Young Supernova Experiment.

A polarização da luz emitida por um objeto – isto é, a orientação do campo elétrico da onda eletromagnética – transporta informações sobre a forma do objeto. A luz de uma nuvem esfericamente simétrica, por exemplo, não seria polarizada porque os campos elétricos se cancelariam simetricamente. A luz de um objeto alongado, entretanto, produziria uma polarização diferente de zero.

Embora as medições de polarimetria de supernovas já ocorram há mais de três décadas, poucas estão suficientemente próximas – e, portanto, suficientemente brilhantes – para tais medições. E nenhuma outra supernova foi observada 1,4 dias após a explosão, como aconteceu com SN 2023ixf.

As observações produziram algumas surpresas.

"O mais emocionante é que esta supernova mostra uma polarização contínua muito elevada, quase 1%, nos primeiros tempos," disse Vasylyev. "Isso parece um número pequeno, mas na verdade é um enorme desvio da simetria esférica."

Com base na mudança de intensidade e direção da polarização, os pesquisadores conseguiram identificar três fases distintas na evolução da estrela em explosão. Entre um e três dias após a explosão, a luz foi dominada pela emissão do meio circunestelar, talvez um disco de material ou uma bolha desequilibrada de gás libertada anteriormente pela estrela. Isto deveu-se à ionização do gás circundante pela luz ultravioleta e de raios X da explosão e pelo material estelar que atravessa o gás, a chamada ionização de choque.

"No início, estávamos dizendo que a maior parte da luz que vemos provém de algum tipo de meio circunstelar não esférico que está confinado a algo em torno de 30 UA", disse Yang. Uma unidade astronômica (UA), a distância média entre a Terra e o nosso Sol, é de 93 milhões de milhas.

Aos 3,5 dias, a polarização caiu rapidamente para metade e, um dia depois, mudou quase 70 graus, implicando uma mudança abrupta na geometria da explosão. Eles interpretam este momento, 4,6 dias após a explosão, como o momento em que o material ejetado da estrela em explosão irrompeu do denso material circunstelar.

"Essencialmente, ele envolve o material circunstelar e você obtém esta geometria em forma de amendoim", disse Vasylyev. “A intuição é que o material no plano equatorial é mais denso, e o material ejetado fica mais lento, e o caminho de menor resistência será em direção ao eixo onde há menos material circunstelar. eixo através do qual ele explode."

A polarização permaneceu inalterada entre os dias 5 e 14 após a explosão, implicando que o material ejetado em expansão havia dominado a região mais densa do gás circundante, permitindo que a emissão do material ejetado dominasse a luz da ionização por choque.

A evolução espectroscópica concordou aproximadamente com este cenário, disse Jacobson-Galán. Ele e a sua equipa observaram emissões do gás que rodeia a estrela cerca de um dia após a explosão, provavelmente produzidas quando o material ejetado atingiu o meio circunstelar e produziu radiação ionizante que fez com que o gás circundante emitisse luz. Medições espectroscópicas da luz desta ionização por choque mostraram linhas de emissão de hidrogênio, hélio, carbono e nitrogênio, o que é típico de supernovas com colapso do núcleo.

As emissões produzidas pela ionização por choque continuaram durante cerca de oito dias, após os quais diminuíram, indicando que a onda de choque se tinha movido para uma área menos densa do espaço com pouco gás para ionizar e reemitir, semelhante ao que Vasylyev e Filippenko observaram.

Margutti observou que outros astrónomos analisaram imagens de arquivo da Galáxia Catavento e encontraram várias ocasiões em que a estrela progenitora brilhou nos anos anteriores à explosão, sugerindo que a supergigante vermelha libertou repetidamente gás. Isto é consistente com as observações do seu grupo sobre o material ejetado da explosão que atravessa este gás, embora eles estimem uma densidade cerca de 1.000 vezes menor do que a sugerida pelas ondulações pré-explosão.

A análise de outras observações, incluindo medições de raios X, poderia resolver este problema.

"Esta é uma situação muito especial onde sabemos o que o progenitor estava a fazer antes porque o vimos oscilar lentamente, e temos todas as sondas instaladas para tentar reconstruir a geometria do meio circunstelar," disse ela. "E sabemos com certeza que não pode ser esférico. Juntando os raios X radiantes com o que Wynn encontrou e o que Sergiy e Alex estão descobrindo, seremos capazes de ter uma imagem completa da explosão."

Os astrónomos reconheceram a ajuda de numerosos investigadores e estudantes que abdicaram do seu tempo de observação em Lick para permitir que as equipas se concentrassem no SN 2023ixf, e a assistência observacional de Thomas Brink, especialista associado em astronomia na UC Berkeley.

Filippenko capturou sua primeira foto do SN 2023ixf com um eVscope Unistellar, que se tornou popular entre os amadores porque o telescópio subtrai a luz de fundo e, assim, permite a visualização noturna em áreas como cidades, com muita poluição luminosa. Ele e outros 123 astrónomos – a maioria amadores – que utilizaram telescópios uniestelares publicaram recentemente as suas primeiras observações da supernova .

"Esta observação fortuita, obtida durante a divulgação pública em astronomia, mostra que a estrela explodiu consideravelmente mais cedo do que quando Itagaki a descobriu", disse ele, acrescentando em tom de brincadeira: "Eu deveria ter examinado imediatamente os meus dados."