Êxodo estelar em 47 Tucanae | Stellar Exodus in 47 Tucanae

Utilizando dados do Telescópio Espacial Hubble da NASA, astrônomos tiraram, pela primeira vez, fotos de incipientes anãs brancas iniciando sua lenta migração de 40-milhões de anos, do centro superpovoado de um velho aglomerado estelar para subúrbios menos populosos.

Anãs brancas são  relíquias exauridas de estrelas que perdem massa rapidamente, resfiram-se e fecham seus fornos nucleares. Quando essas carcaças brilhantes envelhecem e perdem peso, suas órbitas começam a se expandir  para fora do centro superpovoado do aglomerado estelar. Essa migração é causada por um embate gravitacional entre estrelas no interior do aglomerado. Aglomerados estelares globulares expelem estrelas de acordo com suas massas, governados por um jogo de bolas de bilhar gravitacional no qual estrelas de menor massa roubam momentum de estrelas de maior massa. O resultado é que as estrelas mais pesadas se desaceleram e afundam no núcleo do aglomerado, enquanto as mais leves ganham velocidade e se movem através do aglomerado até sua borda. Este processo é chamado " segregação de massa." Até essas observações do Hubble, os  astrônomos nunca haviam visto definitivamente a dinâmica correia transportadora em ação.

Astrônomos usaram o Hubble para observar o êxodo de anãs brancas no aglomerado estelar globular  47 Tucanae, um denso enxame de centenas de milhares de estrelas na Via Láctea. O aglomerado está situado a 16.700 anos-luz, na constelação do Tucano, no sul.

“Nós já vimos o final deste filme antes: anãs brancas que já caíram fora e estão orbitando em uma localidade fora do núcleo que é apropriado para suas massas,” explicou Jeremy Heyl da Universide de British Columbia (UBC), em Vancouver, Canadá, primeiro autor do artigo científico. Os resultados obtidos pela equipe foram publicados na edição de 1º de maio do Astrophysical Journal.

“Mas neste estudo, que compreende cerca de um quarto de todas as anãs brancas do aglomerado, nós estamos, na verdade,  captando as estrelas no processo de movimento em direção ao exterior e segregando a si mesmas de acordo com a massa," disse Heyl. "O processo inteiro não leva muito tempo, apenas algumas centenas de milhões de anos, dos 10 bilhões de anos de idade do aglomerado, para que as anãs brancas cheguem as seu novo lar nos subúrbios exteriores.”

“Esse resultado não havia sido obeservado anteriormente, e põe em cheque algumas ideias a respeito de parte dos detalhes de como e quando uma estrela perde sua  massa próximo ao final de sua vida,” acrescentou o membro da equipe Harvey Richer, da UBC.

Usando a capacidade de potente visão da Câmera Grande Angular 3  em luz  ultravioleta do Hubble, os astrônomos examinaram 3.000 anãs brancas, identificando duas populações com diversas idades e órbitas. Um agrupamento tinha 6 milhões de anos de idades, e havia acabado de iniciar sua jornada. O outros tinha por volta de 100 mihões de anos de idade e já havia chegado a seu novo lar, muito distante do centro, distante cerca de 1,5 ano-luz, ou uns 9 trilhões de milhas.

Somente o Hubble é capaz de detectar essas estrelas porque a luz ultravioleta é bloqueada pela atmosfera da Terra e, portanto, não chega ao telescópios baseados em solo. Os astrônomos calcularam as idades das anãs brancas pela análise de suas cores, o que dá as temperaturas das estrelas. As anãs mais quentes brilham fortemente em luz ultravioleta.

As anãs foram foram expelidas do caótico centro do aglomerado devido a interações gravitacionais com estrelas maiores orbitando a região. Estrelas em aglomerados globulares selecionam a si próprias por peso, com as mais pesadas afundando para o meio. Antes de queimarem como anãs brancas, as estrelas migratóriads estavam entre as de maior massa do aglomerado, pesando aproximadamente tanto quando o Sol; as estrelas de maior massa queimaram há muito tempo.

As  anãs brancas migratórias, entretanto, não têm pressa de sair. Suas órbitas se expandem para fora a cerca de 30 milhas por hora, mais ou menos a velocidade média de um carro transitando pela cidade. As estrelas  mortas  continuarão em seu ritmo por cerca de 40 milhões de anos, até chegarem a uma localidade mais apropriada às suas massas.

Embora os astrônomos não estivessem surpresos em ver a migração, ficaram  confusos ao descobrirem que as mais jovens anãs brancas estavam acabando de iniciar suas jornadas. Essa descoberta pode ser a prova de que as estrelas perdiam boa parte de suas massas em um estágio mais tardio de suas vidas do que antes se pensava.

Cerca de 100 milhões de anos antes de as estrelas se transformarem em anãs brancas, incharam em se tornaram gigantes vermelhas. Muitos astrônomos pensavam que as estrelas perdessem a maior parte de suas massas durante esta fase ao expeli-las para o espaço. Mas as observações do Hubble revelam que as estrelas, na verdade, jogam fora algo entre 40% e 50% de suas massas apenas 10 milhões de anos antes de queimarem completamente como anãs brancas.

“Este início tardio é a prova de que essas anãs brancas estão perdendo uma grande quantidade de massa pouco antes de se tornarem anãs brancas, e não durante a fase anterior, de gigante vermelha, como a maioria dos astrônomos pensava,” disse Richer. “Eis por que nós estamos vendo estrelas ainda em processo de lenta movimentação para longe do centro do aglomerado. Somente depois de perderem suas massas elas são gravitacionalmente empurradas para fora do núcleo. Se as estrelas houvessem perdido a maior parte de seu peso mais cedo durante suas vidas, nós não variam esse efeito impressionante entre as anãs brancas mais jovens e as mais antigas, que são 100 milhões de anos mais velhas."

Embora as anãs brancas tenham esgotado o combustível de hidrogênio que as faz brilhar como estrelas, essas relíquias estelares estão entre as mais brilhantes estrelas neste aglomerado primordial porque seus brilhantes e quentes núcleos são expostos, os quais são mais luminosos em luz ultravioleta.

“Quando as anãs brancas se formam, têm todo esse calor armazenado em seus núcleos, e a razão pela qual podemos ver as anãs brancas se deve ao fato de elas, ao longo do tempo, irradiarem sua energia térmica armazenada lentamente para o espaço,” explicou Richer. “Elas estão se tornando mais frias e menos luminosas à medida que o tempo passa porque não têm fontes nucleares de energia.”

Após atravessarem o emeranhado de interações gravitacionais dentro do populoso núcleo de  1,5 ano-luz de diâmetro, as anãs brancas viajantes encontram poucas interações ao migrarem para fora, porque a densidade das estrelas diminui. “Muita ação ocorre quando elas têm entre 30 milhões e 40 milhões de anos,  e continua até cerca de 100, e então, ao envelhecerem, as anãs brancas ainda se desenvolvem, porém menos intensamente,” disse Heyl.

O aglomerado 47 Tucanae é um lugar ideal para se estudar a segregação de massa de anãs brancas porque está próximo e contém uma grande quantidade de estrelas centralmente concentradas que podem ser vistas individualmente através da aguçada visão do Hubble.


Tradução de Luiz Leitão

Using NASA’s Hubble Space Telescope, astronomers have captured for the first time snapshots of fledging white dwarf stars beginning their slow-paced, 40-million-year migration from the crowded center of an ancient star cluster to the less populated suburbs.

White dwarfs are the burned-out relics of stars that rapidly lose mass, cool down and shut off their nuclear furnaces. As these glowing carcasses age and shed weight, their orbits begin to expand outward from the star cluster’s packed downtown. This migration is caused by a gravitational tussle among stars inside the cluster. Globular star clusters sort out stars according to their mass, governed by a gravitational billiard ball game where lower mass stars rob momentum from more massive stars. The result is that heavier stars slow down and sink to the cluster's core, while lighter stars pick up speed and move across the cluster to the edge. This process is known as "mass segregation." Until these Hubble observations, astronomers had never definitively seen the dynamical conveyor belt in action.

Astronomers used Hubble to watch the white-dwarf exodus in the globular star cluster 47 Tucanae, a dense swarm of hundreds of thousands of stars in our Milky Way galaxy. The cluster resides 16,700 light-years away in the southern constellation Tucana.

“We’ve seen the final picture before: white dwarfs that have already sorted themselves out and are orbiting in a location outside the core that is appropriate for their mass,” explained Jeremy Heyl of the University of British Columbia (UBC), Vancouver, Canada, first author on the science paper. The team’s results appeared in the May 1 issue of The Astrophysical Journal.

“But in this study, which comprises about a quarter of all the white dwarfs in the cluster, we’re actually catching the stars in the process of moving outward and segregating themselves according to mass," Heyl said. "The entire process doesn’t take very long, only a few hundreds of millions of years, out of the 10-billion-year age of the cluster, for the white dwarfs to reach their new home in the outer suburbs.”

“This result hasn’t been seen before, and it challenges some ideas about some of the details of how and when a star loses its mass near the end of its life,” Added team member Harvey Richer of UBC.

Using the ultraviolet-light capabilities of Hubble’s sharp-eyed Wide Field Camera 3, the astronomers examined 3,000 white dwarfs, tracing two populations with diverse ages and orbits. One grouping was 6 million years old and had just begun their journey. Another was around 100 million years old and had already arrived at its new homestead far away from the center, roughly 1.5 light-years, or nearly 9 trillion miles, away.

Only Hubble can detect these stars because ultraviolet light is blocked by Earth’s atmosphere and therefore doesn’t reach ground-based telescopes. The astronomers estimated the white dwarfs’ ages by analyzing their colors, which gives them the stars’ temperatures. The hottest dwarfs shine fiercely in ultraviolet light.

The dwarfs were tossed out of the rough-and-tumble cluster center due to gravitational interactions with heftier stars orbiting the region. Stars in globular clusters sort themselves out by weight, with the heavier stars sinking to the middle. Before flaming out as white dwarfs, the migrating stars were among the most massive in the cluster, weighing roughly as much as our sun; the more massive stars burned out long ago.

The migrating white dwarfs, however, are not in a hurry to leave. Their orbits expand outward at about 30 miles an hour, roughly the average speed of a car traveling in the city. The dead stars will continue this pace for about 40 million years, until they reach a location that is more appropriate for their mass.

Although the astronomers were not surprised to see the migration, they were puzzled to find that the youngest white dwarfs were just embarking on their journey. This discovery may be evidence that the stars shed much of their mass at a later stage in their lives than once thought.

About 100 million years before stars evolve into white dwarfs, they swell up and become red giant stars. Many astronomers thought that stars lose most of their mass during this phase by blowing it off into space. But the Hubble observations reveal that the stars actually dump 40 percent to 50 percent of their bulk just 10 million years before completely burning out as white dwarfs.

“This late start is evidence that these white dwarfs are losing a large amount of mass just before they become white dwarfs and not during the earlier red giant phase, as most astronomers had thought,” said Richer. “That’s why we are seeing stars still in the process of moving slowly away from the center of the cluster. It’s only after they lose their mass that they get gravitationally pushed out of the core. If the stars had shed most of their weight earlier in their lives, we wouldn’t see such a dramatic effect between the youngest white dwarfs and the older ones that are 100 million years old."

Although the white dwarfs have exhausted the hydrogen fuel that makes them shine as stars, these stellar relics are among the brightest stars in this primordial cluster because their brilliant hot cores have been exposed, which are luminous largely in ultraviolet light.

“When a white dwarf forms, they’ve got all this stored-up heat in their cores, and the reason we can see a white dwarf is because over time they radiate their stored thermal energy slowly into space,” Richer explained. “They’re getting cooler and less luminous as time goes on because they have no nuclear sources of energy.”

After making it through the gauntlet of gravitational interactions within the crowded 1.5-light-year-wide core, the traveling white dwarfs encounter few interactions as they migrate outward, because the density of stars decreases. “A lot of action happens when they’re 30 million to 40 million years old, and continues up to around 100, and then as they get older the white dwarfs still evolve but less dramatically,” Heyl said.

The 47 Tucanae cluster is an ideal place to study the mass segregation of white dwarfs because it is nearby and has a significant number of centrally concentrated stars that can be resolved by Hubble’s crisp vision.