Como a Inteligência Artificial ajudou a descobrir um novo tipo de supernova

 

Uma explosão estranha, sinalizada por IA, fornece a evidência mais forte até agora de uma estrela sendo detonada por seu buraco negro companheiro.

Usando um algoritmo de IA, astrônomos descobrem novo tipo de supernova provavelmente causado pela fusão de uma estrela moribunda e seu companheiro buraco negro.

Em julho de 2023, o Zwicky Transient Facility descobriu a supernova SN 2023zkd, localizada a 730 milhões de anos-luz da Terra. Seis meses depois, em janeiro de 2024, um algoritmo de inteligência artificial chamado Light curve Anomaly Identification and Similarity Search (LAISS) identificou a explosão como anômala.

A descoberta e a subsequente análise foram realizadas por uma equipe do Young Supernova Experiment (YSE), uma colaboração liderada por cientistas de instituições como o Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) e o MIT. O alerta do LAISS desencadeou observações de acompanhamento imediatas e amplas, que se mostraram essenciais para capturar os dados detalhados necessários para desvendar a natureza altamente incomum da supernova. Os resultados da equipe serão publicados em uma próxima edição do Astrophysical Journal e foram divulgados inicialmente em um preprint disponível no arXiv.org.

Uma anomalia cósmica

Uma estrela passa sua vida em um delicado equilíbrio, com a pressão externa da fusão nuclear em seu núcleo resistindo à força gravitacional que a comprime. Quando o hidrogênio — o principal combustível da fusão estelar — se esgota, a estrela começa a fundir elementos cada vez mais pesados, até que esse equilíbrio se rompe quando a cadeia chega ao ferro. Fundir ferro consome energia em vez de liberá-la, então o "motor" da estrela desliga abruptamente. Sem nada para frear seu colapso, a gravidade vence. Se a estrela for massiva o suficiente, o núcleo implode e as camadas externas da estrela ricocheteiam no objeto recém-formado e ultradenso, lançando uma enorme onda de choque. Isso é conhecido como uma supernova padrão do tipo II.

A SN 2023zkd pertence a uma subclasse especial chamada tipo IIn. O "n" indica que a explosão ocorre dentro de uma densa nuvem de gás que a estrela havia ejetado anteriormente. A onda de choque da supernova colidindo com esse material cria um complexo espetáculo de luz. Mas mesmo para essa classe caótica de eventos, a SN 2023zkd se destacou como excepcionalmente estranha.

O que torna a SN 2023zkd tão única?

As observações revelaram dois comportamentos que divergem de uma supernova típica. Primeiro, a estrela não estava quieta antes de morrer — ela vinha aumentando seu brilho por pelo menos quatro anos antes de sua detonação final. Em segundo lugar, após a explosão inicial, a supernova não simplesmente desapareceu. Ela voltou a brilhar intensamente cerca de 240 dias depois, criando uma curva de luz estranha com "dois picos". Com base nessas peculiaridades, os astrônomos agora acreditam ter capturado a evidência mais forte até hoje de uma estrela massiva sendo detonada por sua interação catastrófica com um buraco negro companheiro.

"Achamos que isso pode fazer parte de uma classe inteira de explosões ocultas que a IA nos ajudará a descobrir", disse V. Ashley Villar, professora assistente de astronomia em Harvard e coautora do estudo, em um comunicado do CfA.

Emissão precursora como nenhuma outra

As primeiras pistas de que a SN 2023zkd não era uma explosão comum vieram de seu comportamento antes do evento principal. Muitas supernovas do tipo IIn exibem o que é chamado de emissão precursora — luz brilhante enquanto perdem massa. Conforme a massa é ejetada, forma-se uma nuvem. À medida que o processo continua, o material expelido posteriormente colide com a nuvem existente, fazendo-a brilhar intensamente.

Ao analisar dados de arquivo, os astrônomos descobriram uma fase precursora que remonta a pelo menos quatro anos, dividida em dois estágios distintos. O primeiro, chamado Precursor A, foi um período de aproximadamente 1.500 dias em que o sistema estava excepcionalmente brilhante, muito mais luminoso do que as erupções típicas até mesmo das supernovas IIn mais brilhantes. Isso foi seguido pelo Precursor B, um aumento final de brilho que durou quase um ano, um possível sinal de um súbito aumento no acúmulo de material da estrela para o buraco negro, colocando os dois em rota de colisão.

Uma explosão com dois picos

A atividade incomum da estrela antes da explosão era apenas metade do mistério. Após uma supernova explodir, seu brilho normalmente atinge um único pico máximo antes de começar a diminuir lentamente. Esse pico é o evento principal, ofuscando qualquer emissão precursora. E a SN 2023zkd seguiu esse padrão no início.

Mas então, após meses de declínio conforme o esperado, ela fez algo estranho: voltou a brilhar, atingindo um segundo pico quase tão intenso quanto o primeiro cerca de 240 dias depois. Essa curva de luz com dois picos é extremamente rara. Uma análise detalhada revelou a causa: as duas fases precursoras distintas haviam criado duas estruturas diferentes ao redor da estrela. O primeiro pico veio da onda de choque da supernova atingindo uma nuvem de gás de baixa densidade ejetada durante o aumento final do Precursor B. O segundo pico, mais sustentado, foi causado pela colisão com uma espessa nuvem de material em forma de disco que havia sido ejetada anteriormente, durante o Precursor A. Essa estrutura complexa sugeriu que a estrela moribunda estava sob extrema tensão gravitacional de um companheiro próximo.

Para entender melhor como deveria ser o ambiente ao redor da estrela, a equipe usou modelos computacionais sofisticados para simular uma configuração que pudesse causar essa curva de luz única. Isso confirmou que os dois picos foram realmente causados pela onda de choque da supernova colidindo sucessivamente com duas estruturas separadas que haviam sido violentamente ejetadas antes da explosão final.

A hipótese da fusão

Mas o que causou essa sequência única de eventos? Uma única estrela isolada simplesmente não poderia explicar esse comportamento. O brilho extremo da emissão precursora final, a quantidade de gás ejetado e a estrutura estranha apontavam para um cenário muito mais violento e complexo. O artigo científico que apresenta as descobertas concluiu que a explicação mais provável era uma "fusão induzida por instabilidade com um buraco negro companheiro".

A maioria das estrelas não nasce sozinha, mas tem pelo menos um companheiro. Em tais sistemas binários, uma estrela terminará sua vida primeiro; se for massiva o suficiente, colapsará em um buraco negro enquanto sua parceira continua a queimar. Conforme a estrela remanescente envelhece e se expande, a imensa gravidade do buraco negro pode começar a arrancar gás dela em um processo chamado acreção. À medida que o buraco negro "devora" cada vez mais sua companheira, o par espirala para dentro, aproximando-se.

Alguns anos antes da fusão, a estrela ainda em combustão ejetou gás de seus polos, enquanto o buraco negro continuava a atrair material. A luz dessas ejeções corresponde ao Precursor A. Uma explosão final pré-supernova fez com que o par se aproximasse rapidamente, com o buraco negro começando a devorar material de forma acelerada, causando o brilho visto como Precursor B.

Alex Gagliano, autor principal do estudo e pesquisador do NSF Institute for Artificial Intelligence and Fundamental Interactions, descreve o momento em que a equipe descobriu o Precursor B: "Tivemos alguns momentos de 'aha!'. Um deles foi quando decidimos voltar e 'cuidadosamente' olhar os dados." A equipe reanalisou os dados de arquivo e "surpresa! — vimos um aumento de brilho que durou anos antes da explosão! Essa é uma previsão muito clara de um cenário envolvendo uma estrela e um buraco negro."

Após esse aumento, conforme o par se fundia, a estrela explodiu em supernova. Sua onda de choque atingiu a nuvem criada pelo Precursor B e depois o disco do Precursor A, gerando a explosão de duplo pico.

Embora a supernova induzida por fusão seja a teoria principal, a equipe também considerou um cenário alternativo chamado disrupção por maré, em que o buraco negro destrói a estrela antes que ela possa explodir. Nesse caso, o brilho intenso que parecia uma supernova não seria uma explosão tradicional, mas, segundo o comunicado, "gerado quando os destroços colidiram com o gás ao redor." Gagliano explica, porém, que, se esse fosse o caso, a equipe esperaria "uma emissão mais brilhante anterior, que não vimos neste evento." Independentemente de como aconteceu, o resultado foi o mesmo: um único buraco negro mais massivo restou após a explosão.

Uma nova janela para a morte estelar

A SN 2023zkd fornece o caso mais convincente até agora de uma supernova desencadeada pela fusão de uma estrela massiva e um buraco negro. É um evento cósmico que havia sido teorizado, mas nunca antes observado.

Curiosamente, uma história que começou com um algoritmo automatizado aponta para um futuro em que a astronomia e a inteligência artificial trabalham lado a lado. Com observatórios de próxima geração, como o Vera C. Rubin Observatory, começando a gerar um fluxo de dados sem precedentes, sistemas inteligentes como o LAISS serão indispensáveis. No caso da SN 2023zkd, a comunidade astronômica "realmente notou o evento quando ele voltou a brilhar", diz Gagliano à Astronomy. No entanto, o alerta antecipado do algoritmo LAISS direcionou a atenção da equipe para o evento muito antes disso. "Aos nossos olhos, a supernova não parecia tão incomum, mas nosso algoritmo, por sorte, conseguiu identificá-la como algo anômalo."

Com essa descoberta, os astrônomos agora têm um modelo para uma classe totalmente nova de morte estelar. A SN 2023zkd servirá como um evento fundamental, ajudando cientistas a identificar e decifrar explosões semelhantes no futuro. Ela abriu uma nova janela para as complexas vidas de estrelas massivas em sistemas binários, prometendo mais descobertas por vir.

"Estamos agora entrando em uma era em que podemos detectar automaticamente esses eventos raros enquanto eles acontecem, não apenas depois do fato", disse Gagliano no comunicado. "Isso é incrivelmente emocionante."