O curioso mundo das estrelas variáveis cataclísmicas

O que são as binárias variáveis cataclísmicas? E o que realmente são as explosões de anãs brancas conhecidas como "novas"?
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O Universo é composto por muitos tipos de corpos celestes diferentes, dos grandes aos pequenos, alguns bastante comuns, como nebulosas e planetas gigantes gasosos, e outros muito pouco conhecidos. Nessa classificação dos “pouco conhecidos” se incluem as estrelas variáveis cataclísmicas.

Concepção artística de uma variável cataclísmica, com uma anã branca primária e uma estrela da sequência principal secundária.

Chamamos de estrelas variáveis as estrelas, ou sistemas de estrelas, cujo brilho flutua com o passar do tempo.

As variáveis cataclísmicas, também abreviadas como VCs, são sistemas binários compactos, compostos por uma anã branca (estrela primária) e uma estrela da sequência principal ou anã vermelha (estrela secundária) que orbitam tão próximas uma da outra que há transferência de matéria da estrela secundária para a estrela primária — processo chamado de acreção. Em essência, a anã branca “suga” matéria da estrela maior. Esse processo faz o brilho desse sistema flutuar enormemente em períodos cíclicos, por isso é catalogado como uma variável. Então, em uma variável cataclísmica nós temos duas fontes principais de energia: a fusão nuclear das estrelas e a acreção de matéria da estrela maior para a anã branca.

É muito comum confundir ilustrações de variáveis cataclísmicas com quasares, como Cygnus X-1. Não são a mesma coisa. Apesar de ambos os objetos emitirem raios-X, em um quasar o objeto compacto é um buraco negro; em uma variável cataclísmica o objeto compacto é uma anã branca.

As variáveis cataclísmicas podem ser classificadas de acordo com sua variação na intensidade da luz e características espectrais. Suas várias as classificações, mas as três mais comuns são: magnéticas polares, magnéticas polares intermediárias e as novas.

Tipo polar (AM Her)

Concepção artística de uma variável cataclísmica do tipo polar (AM Her). Imagem: Mark A. Garlick.

Uma variável cataclísmica do tipo polar (também chamado de tipo AM Herculis) tem uma anã branca com um campo magnético tão forte que impede a formação de um disco de acreção, a matéria é atraída diretamente para a estrela menor. O plasma dessa estrela secundária fica preso nos campos magnéticos da anã branca e é dirigido até se impactar na superfície da anã branca.

Até o impacto, o material em acreção cai praticamente em queda livre, alcançando assim velocidades substanciais que são vistas nos espectros ópticos. A colisão desse material com a anã branca gera uma onda de choque que é a fonte de raios-X energéticos observados.

Um fato curioso sobre as variáveis cataclísmicas polares é que o intenso campo magnético da anã branca sincroniza seu período de rotação com o período orbital da estrela maior. Isso significa que uma face da anã branca está sempre virada em direção à estrela doadora.

Tipo polar intermediária (DQ Her)

Ilustração do disco de acreção de uma variável cataclísmica do tipo polar intermediária (tipo DQ Her). Imagem: Mark A. Garlick.

Enquanto uma VC do tipo polar é ausente de qualquer disco de acreção, uma VC do tipo polar intermediária (ou DQ Herculis) se forma quando a distância entre as estrelas é substancialmente maior ou quando o campo magnético da anã branca é mais fraco — cerca de 10x mais fraco que de uma VC polar. Isso favorece a formação de um disco de acreção que rotaciona ao redor da anã branca.

O material da estrela secundária orbita a anã branca nesse disco de acreção até, eventualmente, encontrar um campo magnético forte o bastante para quebrar a formação do disco e controlar o fluxo desse gás a ser conduzido até sua superfície.

Tipo nova

À medida que a anã branca “rouba” gás da estrela secundária, esse gás se acumula em sua superfície. Mas lembre-se que anãs brancas são muito quentes e tem uma força gravitacional gigantesca. Quando gás o suficiente se acumula na superfície da anã branca e se aquece a uma temperatura de até 20 milhões de Kelvin, esse gás de hidrogênio pode sofrer uma fusão nuclear repentina, detonando todo esse hidrogênio descontroladamente.

Concepção artística de uma nova.

Essas explosões são extremamente brilhantes, fazendo com que antigos astrônomos acreditassem ser novas estrelas surgindo. Daí o nome do fenômeno: nova. E essas explosões são extremamente brilhantes, tão brilhantes que podemos enxergar novas que acontecem em outras galáxias.

NOTA: não confundir nova com supernova, que são explosões geradas por estrelas ao final de sua vida.

Apesar de sua violência, geralmente a quantidade de material ejetado em novas é apenas cerca de 1/10000 de uma massa solar, bastante pequena em relação à massa da anã branca. Além disso, apenas cinco por cento da massa acumulada é fundida durante a explosão de energia.

Potencialmente, uma anã branca pode gerar várias novas ao longo do tempo à medida que o hidrogênio adicional continua a se acumular em sua superfície a partir de sua estrela companheira. Um exemplo é RS Ophiuchi, que é conhecida por ter queimado sete vezes (em 1898, 1933, 1958, 1967, 1985, 2006 e 2021). Eventualmente, a anã branca pode explodir como uma supernova do Tipo Ia se ela se aproximar do limite de Chandrasekhar, podendo destruir definitivamente a anã branca nesse processo.

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HOSTI, B. P. O curioso mundo das estrelas variáveis cataclísmicas. Espaço-Tempo, 2022. Disponível em: https://www.espacotempo.com.br/o-curioso-mundo-das-estrelas-variaveis-cataclismicas. Acesso em: 24 abr. 2024.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pelo IAG/USP e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador nas áreas de astrofísica observacional e espectroscopia.