Mar de estrelas

19 de junho de 2016

 

Nas noites sem nuvens o céu nos proporciona o espetáculo diário, milhares de pontinhos brilhantes sobre nossas cabeças percorrem a abóbada de leste a oeste. A olho nu percebemos diferenças, umas brilham mais que outras. Algumas são avermelhadas, outras tem tons alaranjados e a maioria branca, sem contar nosso Sol.

Com avanço dos telescópios e outros aparelhos que enxergam comprimentos de onda que nossos olhos não percebem, novos e curiosos tipos de estrelas foram sendo descobertos. Para por ordem nesse salada espacial, foram criados sistemas de classificação. O mais usado nos meios acadêmicos e centros de pesquisa é a classificação estelar, baseada na temperatura da fotosfera e nas características espectrais tendo como classes denominadas O, B, A, F, G, K e M.

Devido nosso objetivo principal em divulgar Astronomia para os leigos e curiosos e compartilhar/criar o gosto por essa maravilhosa ciência, apresentaremos outra classificação, ainda usada cientificamente. Nela os parâmetros são tamanho e cores, que como na classificação estelar também estão relacionados com a temperatura e luminosidade. Também para evitar sucessivas repetições, faremos ocasionalmente o uso das siglas MS e RS para massa e raio do Sol respectivamente, pois nossa estrela é o padrão mais usado para comparar estrelas.

ESTRELAS SUBANÃS

Começaremos com as estrelas que possuem um nome um tanto incomum. As estrelas dessa classe são, em tamanho, apenas um pouco menores do que as chamadas de anãs como veremos no próximo tópico, mas possuem uma luminosidade menor até 2 magnitudes. O que explica tal brilho inferior é pobreza em elementos mais pesados que o hélio em sua composição, em Astronomia e Cosmologia Física dizemos que elas têm baixa metalicidade. Sua força motriz é a mesma das anãs: fusão do hidrogênio. São encontradas especialmente no halo galático, ainda são subdivididas em subanãs frias e quentes.

Estrelas subanãs mais conhecidas são Mu Cassiopeiae e Estrela de Kapteyn (localizada na constelação do Pintor), esta por exemplo está a 12,75 anos-luz da Terra, magnitude aparente acima de 8,8 (invisível a vista desarmada) e possui 28% da massa solar. É a segunda estrela de maior movimento próprio no céu.

Comparação entre a Terra, Júpiter, Sol e a Estrela de Kapteyn

ESTRELAS ANÃS

Chegamos nas classe mais diversificada e mais comum no universo. A maior parte das estrelas conhecidas são classificadas como anãs. A característica principal desse grupo é fonte primária de energia: fusão de prótons, também chamada cadeia próton-próton.

Nosso Sol pertence à classe das anãs, mais precisamente das anãs amarelas. São estrelas com massas que varia de 0,8 a 1,2 MS e temperaturas superficiais oscilando de 5.300 a 6.000 K. São bem estáveis, ficando até 10 bilhões de anos sem sofrer transformações significativas até esgotarem o hidrogênio nuclear. Também pertencem a esse grupo a estrela Alpha Centauri A (do conjunto triplo Alpha Centauri) a apenas 4,4 anos-luz, também merece ser citada Tau Ceti (de Baleia) muito semelhante ao Sol e visível com magnitude 3.

Nosso Sol, uma anã amarela

Um pouco mais frias e menos massivas são as anãs laranjas. A massa dos representantes desse grupo varia de 50% a 80% da nossa estrela e a temperatura permeia a casa dos 4.000 K. Para as estrelas, a vida será determinada preponderantemente pela massa, quem tiver menos viverá mais tempo e com mais tranquilamente, sendo assim a expectativas de vida do grupo atual vai de 15 a até 30 bilhões de anos. A estrela Alpha Centauri B e o conjunto binário 61 Cygni são exemplos de anãs laranjas.

As anãs vermelhas são o grupo mais numeroso das estrelas, são ainda mais leves e frias que as anteriores. A massa não alcança 50% MS e a temperatura é inferior a 3.500 K (o ponto de fusão do tungstênio é 3.695 K). Seu processo energético também é a fusão do hidrogênio, porém realizam num ritmo muito mais lento, como consequência possuem reduzido brilho (a maior delas dá 10% da luminosidade do Sol). São estrelas muito convectivas, ou seja, o fluxo "núcleo <=> superfície" é mais intenso que nas amarelas e laranjas, isso faz com que o hélio não se acumule no seu centro, podendo queimar o hidrogênio por muitíssimo mais tempo que estas. Especula-se que a duração de sua vida seja mais longa que a idade atual do universo. São tão abundantes, pelo menos nas redondezas do Sol, que das 30 estrelas mais próximas, 20 pertencem a essa classe. A mais perto do Sol, a Proxima Centauri é uma anã vermelha que dista 4,2 anos-luz.

Proxima Centauri

Modelos matemáticos mostram que 0,25 da massa do Sol é valor mínimo para que uma estrela se torne uma gigante vermelha (veremos a frente) quando esgotar o hidrogênio. Abaixo desse número, a estrela aumenta sua temperatura e luminosidade sem crescer, se tornado uma anã azul. Como a cadeia próton-próton é muito lenta nas anãs vermelhas, ainda não deu tempo no universo nenhuma anã azul ser detectada até o presente momento, permanecendo como uma hipótese.

As estrelas têm um ciclo de vida, como dito acima, determinado pela massa inicial. Aquelas com até 10 MS (o que dá cerca de 98% das todas) evoluirão para a fase de anã branca, já as mais massivas que esse valor tendem a explodir em supernovas. Antes de se tornarem brancas, as anãs passam pela fase de gigante, exceto as hipotéticas anãs azuis, estas não crescem. As brancas não promovem a fusão nuclear de elementos, aliás elas são apenas um núcleo superaquecido. São muito luminosas, cerca de mil vezes a mais que o Sol, temperaturas na casa dos 150.000 K. Quando ainda estão na forma de gigantes perdem grande parte de sua massa, expelindo as camadas externas formando a chamada nebulosa planetária. O que resta é um corpo de carbono e oxigênio com massa 0,6 MS comprimido num tamanho pouco maior que o da Terra, o que faz seu centro ter uma densidade de quase 50 toneladas por colher de chá! A luz delas provêm do calor residual, o que é reforçado pela pressão da alta densidade. A estrela mais brilhante do céu noturno, Sirius (do Cão Maior) tem uma companheira imperceptível até com telescópios de médio porte, uma anã branca com 18.000 km de raio. Também temos 40 Eridani B, uma das primeiras descobertas da nova classe.

Sistema duplo: Sirius A e a anã branca no canto à esquerda: Sirius B

A anã branca poderá levar bilhões de anos para esfriar completamente, as mais antigas da nossa galáxia ainda têm temperaturas de cerca 3.700 K. Esgotado todo o calor, ela entrará em equilíbrio térmico com a radiação de fundo, não sendo detectada por telescópios óticos nem por espectros eletromagnéticos. Teremos a anã negra, o corpo gelado e escuro, uma estrela morta. O único meio de encontrá-la será por influência gravitacional em outros astros. Até o momento não foram encontradas anãs negras, que assim como as azuis, permanecem como hipótese, mas segundo os modelos nosso Sol terminará assim.

Chegamos numa classe complicada, grandes dúvidas se levantam se de fato estamos diante de estrelas. As anãs marrons ou castanhas são consideradas como um "elo perdido" entre estrelas e planetas. Com massas baixas para os padrões estelares (13 a 75 massas de Júpiter), não têm capacidade de fundir hidrogênio, mantendo temperaturas da ordem de 1.000 a 3.400 K. Pela incapacidade de acumular massa e realizar a cadeia próton-próton são por vezes chamadas de estrelas fracassadas, tanto que alguns autores a classificam como objetos subestelares ou mesmo planetas superdensos. Se formam de maneira semelhante a planetas, com um núcleo comprimido e aquecido, mas sem atingir a temperatura suficiente para iniciar a queima do hidrogênio. No início de suas vidas ainda conseguem queimar o deutério, produzindo um fraco brilho avermelhado que diminuirá gradativamente. Gliese 229 B é uma anã marrom que fica localizada na constelação de Lobo, está a 19 anos-luz da Terra e sua massa é estimada entre 20 e 50 "Jupíteres".

O pequeno ponto no centro é a anã marrom Gliese 229 B

ESTRELAS SUBGIGANTES

Estrelas como as anãs irão consumir todo hidrogênio nuclear. Ao fim, esse elemento ainda será queimado, mas numa camada externa ao núcleo (como se fosse uma concha que o envolvesse) e isso fará a estrela expandir. Nessa fase, a estrela mantém a cor e a temperatura semelhantes às anãs, mas o diâmetro e o brilho estão em patamares superiores, mas não como gigantes verdadeiras.

Prócion (ou Procyon) do Cão Menor está nessa fase, bem como Altair (Alpha Aquilae) que tem 1,8 vezes o tamanho do Sol, porém 8 vezes mais luminosa.

Altair (Crédito: NASA)

ESTRELAS GIGANTES

Chegamos num grupo muito importante, pois nosso Sol viverá essa fase num futuro distante. Quando o hidrogênio esgota-se do núcleo e das camadas próximas, a estrela cresce em tamanho de forma colossal. Com diâmetros de 10 a 100 vezes o solar, as estrelas gigantes podem emitir luz até 1.000 vezes a mais.

As gigantes vermelhas ainda queimam hidrogênio numa casca externa, mas seu núcleo é composto de hélio inerte. Suas camadas se expandem e se tornam frias (5.000 K) até serem liberadas formando as nebulosas planetárias, restando apenas um núcleo quente que se torna anã branca. Na realidade a coloração delas são de tons alaranjados. Essa fase é breve para os padrões estelares, apenas alguns milhões de anos. A famosa Aldebarã (de Touro) está a 65 anos-luz daqui e tem 44,2 vezes o diâmetro do Sol (cerca de 61 milhões de quilômetros), Gacrux (Gamma Crucis ou Rubídea) irradia 1.500 mais luz que o Sol, mesmo com uma temperatura 1.500 K menor.

Comparação de Aldebarã com o Sol

Tipo relativamente raro de estrela com massas de no mínimo 18 MS, estamos falando das gigantes azuis. São muito luminosas com magnitudes absolutas menores que -5 e temperaturas altas na superfície de 20.000 K para cima. Boa parte da luz delas é emitida na faixa do ultravioleta, invisível para nós. Como são bem pesadas, têm vida curta, apenas alguns milhões de anos, depois explodem em supernovas. Exemplos desse grupo são Alcyone A (Eta Tauri nas Plêiades) e Régulo (de Leão).

No aglomerado M 15 temos várias gigantes azuis

Estrelas com massas intermediárias se tornam por curtos períodos gigantes amarelas, a maioria delas são instáveis e pulsantes. Capella (Alpha Aurigae) e Sigma Octantis (estrela polar do sul) são exemplos.

Algumas estrelas têm classificação mais difícil usando esse método, pois sempre são encontrados casos intermediários. Por exemplo, o caso de Thuban (de Dragão) citada em alguns livros como gigante branca. Outras como Pollux (de Gêmeos) e Arturo (Alpha Bootis) são gigantes laranjas, estrelas mais frias que as anãs de mesma cor em cerca de 400 K, mas luminosidade até 300 vezes maior.


ESTRELAS GIGANTES LUMINOSAS

Temos aqui uma classe intermediária, as chamadas gigantes luminosas são estrelas que possuem uma luminosidade bem elevada, mas ainda inferior a do grupo das supergigantes. Mirzan (Beta Canis Majoris) com 26 mil vezes a luminosidade do Sol é uma gigante azul-branca luminosa e Theta Scorpii (ou Sargas ou ainda Girtab) é uma gigante branco-amarela luminosa a 300 anos-luz da Terra.

ESTRELAS SUPERGIGANTES

Trata-se de um grupo monstro, de fazer as estrelas gigantes parecerem "bolinhas". Com raios que podem alcançar 500 RS, as supergigantes podem brilhar 30 mil vezes a mais que nossa estrela. Têm vida curta, no máximo 50 milhões de anos, por isso só são encontradas em estruturas jovens como braços de galáxias espirais. Seus destinos são uma morte violenta: explodir em supernovas.

Vários tipos estão nessa classe, como as supergigantes azuis. Estrelas superquentes, sua superfície pode atingir 50.000 K e isso as coloca entre as mais quentes e brilhantes do universo. A mais famosa azul é Rigel (de Órion) com sua magnitude aparente de 0,12 apesar da distância: cerca de 800 anos-luz (dado apenas estimado). Outra, mais famosa pelo temor do que pela observação comum, é Eta Carinae (de Quilha). É uma estrela que tem quase o tamanho da órbita da Terra, com brilho muito instável tendo sua magnitude variado de -0,8 a 7,9 em cerca de 350 anos (atualmente está 4,4). Está em estado tenso podendo explodir em supernova ou em hipernova nos próximos milhões de anos, especula-se que mesmo com a distância de 7.500 anos-luz sua explosão poderia criar problemas na Terra, ou pelo menos, nas altas camadas atmosféricas, nos satélites espaciais e nos astronautas.

Comparação entre Rigel e o Sol

Eta Carinae e a Nebulosa do Homúnculo

Do outro lado temos as supergigantes vermelhas, estrelas frias (cerca de 4.000 K) e massas de até 40 MS. Antares ("coração" de Escorpião) é um bom exemplo de supergigante vermelha, seu raio é cerca de 800 vezes o do Sol (caberia a órbita de Marte) e sua luminosidade o supera em mais de 50.000. Betelgeuse (Alpha Orionis) a 600 anos-luz e magnitude aparente variável de 0,3 a 0,6. Alguns estudiosos afirma que está prestes a explodir em supernova e calculam que em até mil nos isso ocorra.

Comparação Anteares e Betelgeuse com as "bolinhas" abaixo. Nosso Sol é um minúsculo ponto abaixo e à esquerda.

No meio das vermelhas e azuis, encontramos um tipo menos comum. As supergigantes amarelas são menores que as vermelhas e mais raras. Sua faixa de temperatura fica entre 4.000 e 7.000 K e luminosidade que pode alcançar 100 mil "sóis". A supergigante amarela mais famosa é Canopus (Alpha Carinae), segunda mais brilhante do céu noturno (-0,72 de magnitude), tem 71 vezes o diâmetro solar e 15 mil vezes mais luminosa. Também temos na lista das amarelas Mirfak (de Perseu) e a jovem Wezen (Delta Canis Majoris) situada a 1.600 anos-luz e magnitude aparente de 1,83 (-6,86 de absoluta) tem apenas 10 a 12 milhões de anos. 


ESTRELAS HIPERGIGANTES

Devido as pesquisas terem encontrado estrelas enormes, chegou-se um ponto que não era possível enquadrar muitas delas como supergigantes, assim sendo uma nova classe foi criada para abrigar estes colossais astros. Alguns adotam a massa mínima para uma hipergigante em 50 MS e vai até praticamente o limite teórico como a maior massa possível para uma estrela poder existir que é de 120 MS, acima disso ela perderia massa até atingir esse valor. A luminosidade está acima de 500.000 vezes o Sol.

São bem raras, poucas dezenas de estrelas assim são conhecidas. Também vivem pouco tempo, com uma massa desse porte duram poucos milhões de anos concluindo sua existência em supernovas ou mesmo em hipernovas.

As hipergigantes amarelas são o tipo mais raro desse grupo, dentra as poucas conhecidas citamos Rho Cassiopeiae (de Cassiopeia) com sua luminosidade 550 mil vezes o Sol, V382 Carinae e V766 Centauri, maior hipergigante amarela conhecida com 1.300 RS.

Existem também hipergigantes azuis, Zeta1 Scorpii tem massa de 60 MS e especula-se que brilho que ultrapasse 1 milhão de vezes o do Sol. S Doradus (pertencente a Grande Nuvem de Magalhães) tem luminosidade semelhante a Zeta1 Scorpii pertence um sup-tipo de hipergigante azul, a variável luminosa azul. A Estrela da Pistola com massa de 150 vezes a do Sol é bem jovem, tem menos de 4 milhões de anos, está perdendo massa a ritmos intensos e em menos de 3 milhões de anos terá seu fim numa supernova. R136a1 é uma hipergigante azul ultramassiva, com 256 MS (estima-se que nasceu com 320 MS) e 8.700.000 mais luminosa que o Sol, o que a torna atual campeã de massa e brilho entre todas as estrelas atualmente conhecidas.

Estrela da Pistola (crédito HubbleSite)

Outro grupo raro são as hipergigantes brancas. Em Escudo, temos a V452 Scuti, uma estrela com raio 200 vezes maior que o Sol e 160.000 mais brilhante. Emite um forte vento estelar, perdendo massa de 1 "sol" a cada 50 mil anos. Cabe registrar a 6 Cassiopeiae, uma das mais brilhantes da Via Láctea (cerca de 195 mil vezes a luminosidade do Sol) e com raio que englobaria a órbita de Vênus, por esse dado muitos a colocam dentro das supergigantes, mas pela intensa luz ainda é classificada como hipergigante.

Para concluirmos a última classe, chegamos nas hipergigantes vermelhas. São estrelas de tamanhos extraordinários. Em geral são frias (como as demais vermelhas), temperaturas abaixo dos 6.000 K. Não se tem dados precisos das dimensões, mas citaremos exemplos das maiores com dados aproximados. RW Cephei (de Cefeu) tem uma temperatura de 4.000 K e raio 1.500 vezes o solar e uma de luminosidade 550.000 maior.  VY Canis Majoris foi durante algum tempo a maior estrela conhecida, mas medidas mais acuradas reduziram seu tamanho para simples 1.420 raios solares (cerca de 990 milhões de quilômetros) e uma massa somente 17 vezes maior. WOH G64 (em Dourado) tem um raio pouco maior que RW Cephei (caberia a órbita de Júpiter) e disputando o primeiro lugar temos UY Scuti e Westerlund 1-26, ambas com medições muito imprecisas. A primeira, em Escudo teria um raio de 1.700 RS, mas com uma incerteza de 192 raios solares para mais ou para menos e a segunda mais imprecisa ainda especula-se que seu raio esteja entre 1.530 e 2.544 RS.

A estrela mais brilhosa ao centro é UY Scuti

Comparação do Sol (Sun) com UY Scuti

CASOS ESPECIAIS

Existem alguns corpos celestes que merecem um tópico de destaque separado dos demais. É o caso das subanãs marrons. Diferente das subanãs mencionadas acima, as marrons são mais leves que as anãs marrons, tanto que suas massas são inferiores a 13 vezes a de Júpiter considerado valor mínimo para que seja uma anã marrom. Tais corpos não tem classificação definida, alguns consideram como planetas errantes ou interestelares, ou seja, grandes planetas gasosos livres da influência gravitacional de uma estrela, outros os colocam como estrelas fracassadas, pois não conseguem fundir hidrogênio nem o deutério. O astro Cha 110913-773444 tem um nome e situação confusa, pois ao seu redor há um disco protoplanetário, sendo assim o que ele seria? Uma estrela marrom cercada de planetas ou um grande planeta com satélites vagando a esmo no espaço?

Subanã marrom comparada com Sol (à esquerda) e Júpiter (à direita)

Em um aglomerado as estrelas se formam quase ao mesmo tempo se diferenciando somente pelas massas. Nesse sentido, as grandes azuis irão queimar seu hidrogênio e se transformar em gigantes vermelhas antes que as anãs vermelhas o façam. Porém, algumas estrelas demoram mais que o previsto para essa transformação conseguindo se manter "jovens" mais tempo. Assim foram chamadas de retardatárias azuis. A explicação mais plausível está na transferência de massa entre as estrelas do aglomerado como em colisões e binárias, onde uma cede a sua companheira. Dessa forma, ao ganhar massa a estrela rejuvenesce um pouco e mantém sua cor azulada. O aglomerado globular 47 Tucanae contém cerca de 21 estrelas retardatárias azuis.

47 Tucanae