The fraction of periodic SN Ib/c light curves

Quando uma estrela massiva esgota seu combustível, ela colapsa e explode, enviando um brilho intenso de luz através do universo. Essas explosões, conhecidas como supernovas, estão entre os eventos mais energéticos da natureza. Por muito tempo, os astrônomos acreditaram que a luz dessas explosões simplesmente desaparecia em uma curva suave e previsível, como uma vela se apagando. No entanto, observações recentes revelaram que algumas dessas estrelas moribundas não desaparecem silenciosamente. Em vez disso, seu brilho oscila para cima e para baixo em um padrão regular enquanto diminuem. Esse pulsar rítmico é um fenômeno raro e intrigante. Isso sugere que a estrela que explodiu não estava sozinha; ela provavelmente tinha uma estrela companheira orbitando-a. Conforme a explosão acontecia, o novo e denso núcleo deixado para trás poderia estar interagindo com essa companheira, criando um cabo de guerra gravitacional que causava o pulsar da luz. Compreender a frequência com que isso acontece ajuda os cientistas a descobrir quantas estrelas vivem em pares e como elas evoluem antes de morrerem.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência decidiu dar um olhar sistemático sobre esse comportamento. Eles queriam saber se essas explosões pulsantes eram apenas alguns acidentes estranhos ou se representavam um grupo significativo de supernovas. Para descobrir, eles recorreram ao Zwicky Transient Facility, um poderoso telescópio na Califórnia que varre o céu todas as noites, capturando milhares de fontes de luz variáveis. A equipe focou em um tipo específico de supernova chamado Tipo Ib ou Ic. Estas são as explosões de estrelas que já perderam suas camadas externas de hidrogênio e hélio, muitas vezes porque uma estrela companheira as removeu antes da explosão. Os pesquisadores reuniram curvas de luz, que são registros de como essas estrelas parecem brilhantes ao longo do tempo, para trinta e quatro candidatos diferentes. Eles precisavam de dados de alta qualidade com medições suficientes para detectar um padrão, por isso selecionaram apenas aqueles eventos onde o telescópio havia observado a estrela por um tempo suficiente e tirado fotos suficientes.

Para encontrar os ritmos ocultos nos dados, a equipe construiu um novo método computacional que era mais cuidadoso do que tentativas anteriores. Em vez de primeiro suavizar o desvanecimento geral da estrela e depois procurar por oscilações nos restos, o método deles tratava o desvanecimento e os pulsos como um problema único e conectado. Eles ajustaram uma curva matemática ao declínio geral da luz enquanto simultaneamente testavam um padrão de onda repetitivo. Essa abordagem impediu que o computador acidentalmente escondesse um sinal real ao suavizá-lo cedo demais. Eles aplicaram esse teste rigoroso a cada curva de luz em sua amostra, procurando por qualquer período de repetição que se destacasse claramente do ruído aleatório. Eles estabeleceram um padrão muito alto para o que contava como uma descoberta, exigindo que o padrão aparecesse claramente em duas cores diferentes de luz observadas pelo telescópio, garantindo que o sinal fosse real e não apenas uma falha nos dados.

A busca rendeu três resultados claros. Duas delas foram estrelas que já haviam sido identificadas por outros astrônomos como tendo este comportamento pulsante: SN 2022jli e SN 2022esa. O método da equipe recuperou com sucesso os padrões conhecidos nessas estrelas, confirmando que sua nova abordagem funcionou. A SN 2022jli mostrou um pulso aproximadamente a cada doze dias, enquanto a SN 2022esa pulsou cerca de trinta e quatro dias. Mas a descoberta mais emocionante foi uma terceira estrela, SN 2020sgf, que não havia sido previamente sinalizada como uma candidata periódica. Esta estrela, que explodiu em 2020, mostrou um padrão claro e repetitivo de cerca de trinta dias em uma cor de luz e aproximadamente trinta e seis dias em outra. Embora o tempo exato diferisse ligeiramente entre as duas cores, a diferença era pequena o suficiente para ser consistente com o mesmo ritmo subjacente. Esta descoberta adicionou um novo membro ao pequeno clube das supernovas pulsantes.

Para entender o que essas três descobertas significavam para a população mais ampla de estrelas em explosão, os pesquisadores tiveram que levar em conta as limitações de sua busca. Eles perceberam que seu telescópio não poderia ver todos os ritmos possíveis. Se uma estrela pulsasse muito lentamente, ou se o pulso fosse muito fraco, o telescópio poderia perdê-la inteiramente, especialmente se a estrela desaparecesse rápido demais ou estivesse escondida pelo brilho do sol durante parte do ano. Para medir esse ponto cego, eles realizaram milhares de simulações computacionais. Eles pegaram os dados reais de suas trinta e quatro estrelas e secretamente adicionaram sinais pulsantes falsos de diferentes intensidades e velocidades. Então, rodaram seu método de detecção nesses dados modificados para ver com que frequência encontravam os sinais falsos. Esse processo criou um mapa de sua sensibilidade, mostrando exatamente quais tipos de estrelas pulsantes eles poderiam captar e quais provavelmente perderiam.

Com esse mapa de sensibilidade em mãos, a equipe comparou suas descobertas com modelos teóricos de como as estrelas se comportam em sistemas binários. Esses modelos preveem que uma certa porcentagem de supernovas de envelope removido deve mostrar este comportamento pulsante devido a interações com uma companheira. Os pesquisadores descobriram que, se apenas uma fração minúscula dessas estrelas estivesse pulsando, eles teriam sido muito improváveis de encontrar três delas em sua amostra. O fato de terem encontrado três sugere que o número real é maior. Sua análise indica que modelos prevendo que cerca de vinte por cento dessas supernovas são periódicas são consistentes com suas observações. Isso significa que essas explosões rítmicas não são oddidades excepcionalmente raras. Em vez disso, elas provavelmente representam um subgrupo substancial de estrelas moribundas, talvez uma em cada cinco, que estão interagindo com uma companheira nos momentos finais de suas vidas.

O estudo também destacou a importância de observar os dados com olhos frescos. Os pesquisadores notaram que dois dos períodos encontrados estavam próximos ao ciclo de vinte e nove dias e meio da lua. Embora a luz da lua possa às vezes criar padrões falsos nos dados de telescópios, a equipe não encontrou evidências de que suas descobertas fossem causadas por esse efeito. Os sinais eram fortes e consistentes através de diferentes cores de luz, apontando para uma causa física dentro das próprias estrelas. O trabalho demonstra que, com as ferramentas certas e uma amostra grande o suficiente, os astrônomos podem ir além do estudo de objetos estranhos individuais para compreender a população mais ampla. A descoberta da SN 2020sgf, juntamente com a confirmação das outras, sugere que o universo está repleto dessas interações binárias, esperando para serem encontradas pela próxima geração de levantamentos do céu.