2112: O céu inteiro numa fotografia

NASA captou o céu nocturno em raios-X.

© NASA/NICER SIC Notícias

Estes feixes e arcos de luz que parecem as luzes de uma autoestrada ou de tráfego aéreo são raios-X captados a partir da Estação Espacial Internacional.

Durante dois anos, o Neutron star Interior Composition Explorer – NICER da NASA, um detector de fontes cósmicas, foi recolhendo imagens, conseguindo criar um mapa do céu nocturno.

Cada arco acompanha raios-X bem como ocasionais choques de partículas de energia, capturadas pelo NICER durante a noite.

© NASA/NICER SIC Notícias

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SIC Notícias
04/06/2019



NICER mapeia “ecos de luz” de buraco negro recém-descoberto

Nesta ilustração de um recém-descoberto buraco negro de nome MAXI J1820+070, o objeto exótico atrai matéria de uma estrela companheira para um disco de acreção. Por cima do disco encontra-se uma região de partículas subatómicas chamada coroa.
Crédito: Aurore Simonnet e Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Cientistas mapearam o ambiente em torno de um buraco negro de massa estelar com 10 vezes a massa do Sol usando o NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA a bordo da Estação Espacial Internacional. O NICER detectou raios-X do recém-descoberto buraco negro MAXI J1820+070 (ou J1820), à medida que consumia material de uma estrela companheira. Ondas de raios-X formaram “ecos de luz” reflectidos do turbilhão de gás perto do buraco negro e revelaram mudanças no tamanho e na forma do ambiente.

“O NICER permitiu-nos medir os ecos de luz mais próximos, até agora, de um buraco negro de massa estelar,” disse Erin Kara, astrofísica da Universidade de Maryland em College Park e do Centro de Voo Espacial Goddard no mesmo estado norte-americano, que apresentou os seus achados na 233.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Seattle. “Anteriormente, esses ecos de luz do disco interior de acreção tinham sido vistos apenas em buracos negros supermassivos, que têm milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol e que mudam muito lentamente. Os buracos negros de massa estelar como J1820 têm massas muito menores e evoluem muito mais depressa, de modo que podemos ver mudanças a ocorrer em escalas de tempo humanas.”

O artigo que descreve as descobertas, liderado por Kara, foi publicado na edição de 10 de Janeiro da revista Nature e está disponível online.

J1820 está localizado a aproximadamente 10.000 anos-luz na direcção da constelação de Leão. A estrela companheira no sistema foi identificada num levantamento realizado pela missão Gaia da ESA, que permitiu que os cientistas estimassem a sua distância. Os astrónomos só souberam da presença do buraco negro no dia 11 de Março de 2018, quando foi detectada uma explosão pelo MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image) da JAXA (a agência espacial japonesa), também a bordo da ISS. J1820 passou de um buraco negro totalmente desconhecido para uma das fontes mais brilhantes do céu de raios-X ao longo de alguns dias. O NICER foi rapidamente apontado para esta transição dramática e continua a seguir o rescaldo da erupção.

“O NICER foi desenhado para ser suficientemente sensível para estudar objectos fracos e incrivelmente densos chamados estrelas de neutrões,” disse Zaven Arzoumanian, chefe científico do NICER em Goddard e co-autor do artigo. “Estamos satisfeitos com quão útil provou ser também no estudo destes buracos negros de massa estelar que brilham em raios-X.”

Um buraco negro pode sugar gás de uma estrela companheira próxima para um anel de material chamado disco de acreção. As forças gravitacionais e magnéticas aquecem o disco a milhões de graus, tornando-o quente o suficiente para produzir raios-X nas regiões mais internas do disco, perto do buraco negro. As explosões ocorrem quando uma instabilidade no disco provoca uma inundação de gás para o interior, na direcção do buraco negro, como uma avalanche. Os motivos das instabilidades de disco não são bem compreendidos.

Acima do disco está a coroa, uma região de partículas subatómicas com mais ou menos mil milhões de graus Celsius que brilha em raios-X altamente energéticos. Ainda permanecem muitos mistérios sobre a origem e evolução da coroa. Algumas teorias sugerem que a estrutura poderá representar uma forma inicial dos jactos de partículas velozes que esses tipos de sistemas geralmente emitem.

Os astrofísicos querem entender melhor como a orla interna do disco de acreção e a coroa, por cima, mudam de tamanho e forma à medida que um buraco negro acreta material da sua estrela companheira. Se se conseguir entender como e porque é que estas mudanças ocorrem nos buracos negros de massa estelar ao longo de um período de semanas, os cientistas podem lançar luz sobre a evolução dos buracos negros supermassivos ao longo de milhões de anos e como afectam as galáxias em que residem.

Um dos métodos usados para estudar estas mudanças tem o nome mapeamento de reverberação de raios-X, que usa reflexos de raios-X da mesma maneira que um sonar usa ondas sonoras para mapear terreno submarino. Alguns raios-X da coroa viajam directamente até nós, enquanto outros iluminam o disco e são reflectidos de volta a energias e ângulos diferentes.

O mapeamento de reverberação de raios-X dos buracos negros supermassivos mostrou que a orla interna do disco de acreção está muito próxima do horizonte de eventos, o ponto de não retorno. A coroa também é compacta, ficando mais próxima do buraco negro do que grande parte do disco de acreção. Observações anteriores de ecos de raios-X de buracos negros estelares, no entanto, sugeriram que a secção interior do disco de acreção podia estar bem distante, até centenas de vezes o tamanho do horizonte de eventos. No entanto, o buraco negro de massa estelar J1820 tem um comportamento mais parecido com o dos seus primos supermassivos.

À medida que examinava as observações de J1820 pelo NICER, a equipa viu uma diminuição no atraso de tempo entre o clarão inicial de raios-X oriundos directamente da coroa e o seu eco do disco, indicando que os raios-X viajaram cada vez menos antes de serem reflectidos. A 10.000 anos-luz de distância, estimaram que a coroa se contraiu verticalmente de aproximadamente 161 km para 16,1 km – o correspondente a ver algo do tamanho de um mirtilo a encolher para algo com o tamanho de uma semente de papoila à distância de Plutão.

“Esta é a primeira vez que vemos este tipo de evidência da diminuição da coroa durante esta fase particular da evolução de uma erupção,” salientou o co-autor Jack Steiner, astrofísico do Instituto Kavli para Astrofísica e Investigação Espacial do MIT (Massachusetts Institute of Technology) em Cambridge. “A coroa ainda é bastante misteriosa e ainda temos uma compreensão fraca do que é. Mas agora temos evidências de que o que está a evoluir no sistema é a estrutura da própria coroa.”

Para confirmar que a diminuição no tempo de atraso era provocada por uma mudança na coroa e não no disco, os cientistas usaram um sinal chamado linha K de ferro, produzido quando os raios-X da coroa colidem com átomos de ferro no disco, dotando-os de fluorescência. O tempo corre mais devagar em campos gravitacionais mais fortes e a velocidades mais altas, como indicado pela teoria da relatividade de Einstein. Quando os átomos de ferro mais próximos do buraco negro são bombardeados pela luz do núcleo da coroa, os comprimentos de onda de raios-X que emitem são esticados porque o tempo move-se mais lentamente para eles do que para o observador (neste caso, o NICER).

A equipa de Kara descobriu que a linha K de ferro esticada de J1820 permaneceu constante, o que significa que a orla interna do disco permaneceu perto do buraco negro – semelhante a um buraco negro super-massivo. Se o menor tempo de atraso fosse provocado por uma região interna do disco movendo-se ainda mais para dentro, então a linha K de ferro teria sido esticada ainda mais.

Estas observações fornecem aos cientistas novas informações sobre como o material é afunilado para o buraco negro e como a energia é libertada neste processo.

“As observações de J1820 pelo NICER ensinaram-nos algo novo sobre os buracos negros de massa estelar e sobre como podemos usá-los como análogos para o estudo dos buracos negros supermassivos e dos seus efeitos na formação de galáxias,” disse o co-autor Philip Uttley, astrofísico da Universidade de Amesterdão. “Já assistimos a quatro eventos parecidos no primeiro ano do NICER e é impressionante. Parece que estamos à beira de um enorme avanço na astronomia de raios-X.”

Astronomia On-line
1 de Fevereiro de 2019

 

543: MISSÃO NICER DA NASA DESCOBRE PULSAR DE RAIOS-X EM ÓRBITA RECORDE

As estrelas de IGR J17062–6143, aqui ilustradas, orbitam-se uma à outra a cada 38 minutos, a órbita mais rápida conhecida para um sistema binário que contém um pulsar de raios-X de milissegundo com acreção. Enquanto giram, um pulsar super-denso puxa gás de uma anã branca leve. As duas estrelas estão tão perto que cabiam entre a Terra e a Lua.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Cientistas que analisavam os primeiros dados da missão NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) encontraram duas estrelas que giram em torno uma da outra a cada 38 minutos. Uma das estrelas do sistema chamado IGR J17062–6143 (J17062, abreviado) é uma estrela super-densa e de rápida rotação a que chamamos pulsar. A descoberta confere ao par estelar o recorde do período orbital mais curto para uma determinada classe de sistema binário de pulsares.

Os dados do NICER também mostram que as estrelas do par J17062 estão apenas separadas por 300.000 quilómetros, menos do que a distância entre a Terra e a Lua. Com base no rapidíssimo período orbital e na separação do par, os cientistas envolvidos num novo estudo do sistema pensam que a segunda estrela é uma anã branca pobre em hidrogénio.

“Não é possível para uma estrela rica em hidrogénio, como o nosso Sol, ser a companheira do pulsar,” comenta Tod Strohmayer, astrofísico de Goddard e autor principal do artigo. “Não conseguimos fazer encaixar uma estrela como essa numa órbita tão pequena.”

Uma observação prévia de 20 minutos pelo RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer) em 2008 só conseguiu estabelecer um limite inferior para o período orbital de J17062. O NICER, instalado a bordo da Estação Espacial Internacional em Junho passado, pôde observar o sistema por períodos muito mais longos. Em Agosto, o instrumento focou-se em J17062 por mais de sete horas ao longo de 5,3 dias. Combinando observações adicionais em Outubro e Novembro, a equipa de cientistas foi capaz de confirmar o período orbital recorde para um sistema binário contendo o que os astrónomos chamam de AMXP (accreting millisecond X-ray pulsar).

Quando uma estrela massiva passa a super-nova, o seu núcleo colapsa num buraco negro ou numa estrela de neutrões, pequena e super-densa – do tamanho de uma cidade, mas com mais massa do que o Sol. As estrelas de neutrões são tão quentes que a luz que irradiam passa a porção incandescente do espectro visível e ultravioleta até aos raios-X. Um pulsar é uma estrela de neutrões que gira rapidamente.

A observação de J17062 levada a cabo em 2008 pelo RXTE descobriu pulsos recorrentes de raios-X 163 vezes por segundo. Estes pulsos marcam a localização de pontos quentes em redor dos pólos magnéticos do pulsar, o que permitiu que os astrónomos determinassem quão rapidamente gira. O pulsar de J17062 gira a cerca de 9800 rotações por minuto.

Pontos quentes formam-se quando o intenso campo gravitacional de uma estrela de neutrões retira material de uma companheira estelar – em J17062, da anã branca – e é colocado num disco de acreção. A matéria no disco espirala para dentro, eventualmente chegando à superfície. As estrelas de neutrões têm campos magnéticos fortes, de modo que o material aterra na superfície de forma desigual, viajando ao longo do campo magnético até aos pólos onde produz os pontos quentes.

O constante bombardeamento de gás em queda faz com que os pulsares de acreção girem mais rapidamente. Enquanto giram, os pontos quentes entram e saem da vista de instrumentos de raios-X como o NICER, que regista as flutuações. Alguns pulsares giram mais de 700 vezes por segundo. As flutuações de raios-X dos pulsares são tão previsíveis que a experiência companheira do NICER, SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology), já mostrou que podem servir como faróis para navegação autónoma em futuras naves espaciais.

Com o tempo, o material da estrela dadora é acumulado à superfície da estrela de neutrões. Assim que a pressão desta camada cresce até ao ponto em que os seus átomos se fundem, ocorre uma reacção termonuclear descontrolada, libertando a energia equivalente a 100 bombas de 15 megatoneladas que explodem sobre cada centímetro quadrado, explicou Strohmayer. Os raios-X de tais explosões também pode ser captados pelo NICER, embora ainda não tenham sido vistas em J17062.

Os investigadores foram capazes de determinar que as estrelas de J17062 giram em torno uma da outra numa órbita circular, o que é comum para os AMXPs. A estrela dadora, anã branca, é um “peso leve”, com mais ou menos 1,5% da massa do Sol. O pulsar tem muito mais massa, cerca de 1,4 massas solares, o que significa que as estrelas orbitam um ponto a cerca de 3000 km do pulsar. Strohmayer disse que é quase como se a estrela dadora orbitasse um pulsar estacionário, mas o NICER é sensível o suficiente para detectar a pequena flutuação na emissão de raios-X do pulsar devido ao puxo da anã branca.

“A distância entre nós e o pulsar não é constante,” comenta Strohmayer. “Varia devido a este movimento orbital. Quando o pulsar está mais próximo, a emissão de raios-X leva um pouco menos a chegar até nós do que quando está mais distante. O atraso é pequeno, apenas cerca de 8 milissegundos para a órbita de J17062, mas está bem dentro das capacidades de uma máquina sensível como o NICER.”

Os resultados do estudo foram publicados no passado dia 9 de maio na revista The Astrophysical Journal Letters.

A missão do NICER é fornecer medições de alta precisão para melhor estudar a física e o comportamento das estrelas de neutrões. Outros dados da primeira fornada de dados do instrumento forneceram resultados sobre as explosões termo-nucleares de um objecto e exploraram o que acontece com o disco de acreção durante estes eventos.

“As estrelas de neutrões são verdadeiros laboratórios de física nuclear, do ponto de vista terrestre,” comenta Zaven Arzoumanian, astrofísico de Goddard e cientista chefe do NICER. “Não podemos recriar as condições das estrelas de neutrões em qualquer parte do nosso Sistema Solar. Um dos principais objectivos do NICER é estudar a física subatómica que não é acessível em nenhum outro lugar.”

Astronomia On-line
15 de Maio de 2018

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