As Herdeiras da Via Láctea

Se considerarmos apenas as estrelas normais, isto é, as que mantêm o equilíbrio hidrostático através da energia produzida por reacções nucleares (o que exclui objectos exóticos como estrelas de neutrões e anãs brancas), as anãs vermelhas são as estrelas mais pequenas, menos maciças, mais frias e menos luminosas do Universo.

Comparação entre estrelas na sequência principal. As maiores, mais maciças, mais quentes e mais luminosas são as de tipo O. No outro extremo, temos as estrelas de tipo M, as mais pequenas, menos maciças, mais frias, e menos luminosas. São estas estrelas que chamamos de anãs vermelhas.

Este panorama pode parecer deprimente, especialmente para uma anã vermelha, mas estar na cauda da sequência principal tem as suas vantagens. Para começar, as anãs vermelhas são de longe as estrelas mais abundantes no Universo. Na Via Láctea, a nossa galáxia, elas constituem quase 80% da população total de estrelas. Por razões ainda não completamente compreendidas, o Universo é muito mais eficiente a produzir estrelas pouco maciças, mas pensa-se que não terá sido sempre assim. Algumas linhas de evidência sugerem que as estrelas das primeiras gerações teriam sido extremamente maciças, em parte devido à inexistência de elementos mais complexos do que o hidrogénio e o hélio no gás primordial.

Na Via Láctea, quase 80% da população estelar é formada por anãs vermelhas.

Outra característica importante destas estrelas está relacionada com a forma como a energia, produzida pela fusão do hidrogénio em hélio no núcleo, é transportada até à superfície. No Sol, uma estrela mais maciça, esta transferência é feita pela radiação, até 70% do raio, e por convecção nos restantes 30%. Nas anãs vermelhas, no entanto, essa transferência é feita quase exclusivamente por correntes profundas de convecção que fazem circular o plasma rico em hidrogénio por toda a estrela. Nas anãs vermelhas menos maciças, com menos de 35% da massa do Sol, esse mecanismo é mesmo exclusivo. Esta propriedade estrutural tem consequências importantes na evolução e nas propriedades destas estrelas.

Próxima Centauri, uma anã vermelha membro do sistema triplo Alfa do Centauro, é a estrela mais próxima do Sol, a uma distância de apenas 4.24 anos-luz. Apesar disso, só foi descoberta no início do século XX e é necessário um telescópio modesto para poder observá-la pois é 100 vezes menos brilhante do que as estrelas mais fracas visíveis a olho nu. Crédito: ESA/Hubble & NASA.

Como todas as estrelas, as anãs vermelhas são constituídas por plasma — gás ionizado a temperaturas muito elevadas. O plasma em movimento, devido à rotação da estrela e às correntes de convecção no seu interior, gera um campo magnético intenso. Este último, por sua vez, é responsável pela actividade estelar, nomeadamente por erupções (flares) que libertam grande quantidade de energia sob a forma de radiação e partículas. Devido às correntes de convecção globais, as anãs vermelhas, em especial as mais jovens, têm episódios de grande actividade, com erupções muito mais energéticas do que as solares.

A energia produzida no núcleo das estrelas é transportada até à superfície através da radiação ou por correntes de convecção no plasma. Nas anãs vermelhas, o transporte é feito (quase) exclusivamente por convecção. Fonte: Wikipedia.

Um exemplo extremo deste fenómeno foi recentemente detectado pelo observatório espacial SWIFT, que observa o firmamento em raios gama e raios X. O SWIFT detectou uma erupção numa anã vermelha em que a temperatura do plasma atingiu 200 milhões de Kelvin, cerca de 12 vezes a temperatura no núcleo do Sol! Na escala de energia utilizada para classificar as erupções solares, o recorde absoluto do Sol é uma erupção X45 (o X é o tipo mais energético, o 45 indica a intensidade dentro desse tipo). Nesta escala, a erupção observada pelo SWIFT seria o equivalente a uma X100000! A erupção foi tão violenta que a estrela demorou 20 dias a retomar os níveis de actividade normais.

Representação artística de uma erupção muito energética numa anã vermelha. Crédito: NASA/Goddard, S. Wiessinger.

A convecção quase global tem outra consequência importante: permite que quase todo o hidrogénio disponível no plasma circule pela estrela, incluindo o núcleo, onde é transformado em hélio. De facto, quando comparadas com estrelas maiores, as anãs vermelhas aproveitam uma percentagem muito maior do seu hidrogénio para reacções nucleares. No Sol, só o hidrogénio confinado a uma região próxima do núcleo é utilizado na fusão em hélio, durante a sequência principal.

Por outro lado, as anãs vermelhas utilizam a mesma cadeia de reacções nucleares que o Sol para produzir o hélio — a Cadeia Protão-Protão. A eficiência destas reacções é muito sensível à temperatura nuclear. Como as anãs vermelhas têm as mais baixas temperaturas nucleares, aquelas reacções são pouco eficientes, a região nuclear produz menos energia e as suas fotosferas são as mais frias e as menos luminosas de entre todas as estrelas.

A Cadeia Protão-Protão, responsável pela fusão do hidrogénio (H) em hélio (He) no Sol e nas anãs vermelhas. O último passo da reacção, a junção dos dois núcleos de Hélio-3, é apenas uma das variantes possíveis, a mais comum para temperaturas nucleares mais baixas. No Sol, 86% das vezes a reacção termina desta forma; nas anãs vermelhas a percentagem é próxima dos 100%. Fonte: Wikipedia.

Curiosamente, são estas duas razões que fazem das anãs vermelhas as estrelas que vivem mais tempo — têm mais combustível disponível e gastam-no mais devagar devido às temperaturas comparativamente baixas do seu núcleo. De facto, uma anã vermelha com 20% da massa do Sol tem um tempo de vida de mais de 1 bilião de anos (1 seguido de 12 zeros!). As anãs vermelhas mais pequenas têm cerca de 8% da massa do Sol e vivem 11 biliões de anos, uma longevidade aproximadamente 1000 vezes superior à do Sol. Note-se que, abaixo do limite dos 8% da massa solar, a temperatura no interior da “estrela” não atinge o limiar necessário para a ignição da fusão do hidrogénio em hélio. Estas “estrelas” falhadas designam-se por anãs castanhas, uma denominação algo infeliz.

As anãs vermelhas mais pequenas têm 75 vezes a massa de Júpiter e uma temperatura superficial de apenas 2200 Kelvin, quase três vezes mais baixa do que a do Sol. À direita mostram-se anãs castanhas de tipos L e T (existe ainda um outro, o tipo Y). Júpiter é representado para estabelecer uma escala, juntamente com o Sol. Note-se que as anãs vermelhas mais pequenas e as anãs castanhas têm quase o mesmo tamanho, semelhante ao de Júpiter, devido à força que as sustenta internamente.

É interessante pensar nisto segundo um outro ponto de vista. O Universo tem uma idade de 13.7 mil milhões de anos, bem estabelecida por observações realizadas durante décadas da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas. Isto implica que nenhuma anã vermelha, mesmo que formada na primeira geração de estrelas do Universo, teve ainda tempo de morrer. Mais, uma tal anã vermelha hipotética, continuará a viver muito tempo depois de o Sol já ter desaparecido.

Mas o que acontece a uma anã vermelha quando se esgota o hidrogénio, o seu combustível nuclear? Estudos teóricos sugerem que só as anãs vermelhas que têm massa superior a 25% da massa solar conseguem atingir o estágio de gigante vermelha. Uma gigante vermelha tem um núcleo inerte de hélio, em torno do qual existe uma camada onde ocorre a fusão do hidrogénio em hélio. A energia libertada por esta camada provoca a expansão da estrela até dezenas ou centenas de vezes o seu tamanho original.

Uma estrela na sequência principal transforma hidrogénio em hélio no núcleo. A energia libertada por essas reacções mantém a estrela em equilíbrio. Quando o hidrogénio se exausta, a estrela transforma-se numa gigante vermelha, com um núcleo de hélio inerte e uma camada exterior que faz a fusão do hidrogénio em hélio. Para as anãs vermelhas isto só acontece se a estrela tiver pelo menos 25% da massa do Sol.

Quando o hidrogénio acaba, a estrela começa a contrair-se, aumentando com isso a sua temperatura. Isto permite manter momentaneamente o equilíbrio com a gravidade que, face à ausência da pressão extra da radiação proveniente das reacções nucleares, tenta impiedosamente compactá-la. Esta contracção dura milhares de milhões de anos, até os átomos da estrela estarem tão próximos que as partículas que os constituem exercem uma pressão para com os vizinhos, incomodados pela sua proximidade (trata-se de um efeito quântico fundamental). Nessa altura, a estrela transforma-se numa anã branca que arrefecerá e diminuirá de luminosidade lentamente até se perder por completo na imensidão do espaço.

Simulação em computador que mostra a variação do raio de uma anã vermelha ao longo do tempo. Só as estrelas com pelo menos 25% da massa do Sol aumentam de tamanho significativamente (a linha correspondente sai fora do gráfico). No gráfico não é fácil de notar mas estrelas com 20% ou menos da massa do Sol atingem um raio máximo que depois decresce rapidamente. Fonte: Laughlin et. al.

O cenário traçado neste último parágrafo é baseado em previsões teóricas. Na realidade ainda não decorreu tempo suficiente para podermos observar gigantes vermelhas resultantes da evolução de anãs vermelhas. As escalas de tempo que envolvem a evolução destas estrelas farão delas, sem dúvida, as herdeiras da Via Láctea.

(Fontes: Laughlin et al. 1997, Kaltenegger e Traub 2009, Wikipedia)