739: NUSTAR PROVA QUE ETA CARINAE DISPARA RAIOS CÓSMICOS

A Grande Erupção de Eta Carinae na década de 1840 criou esta nebulosa, fotografada aqui pelo Hubble. Agora com aproximadamente um ano-luz em diâmetro, a nuvem em expansão contém material suficiente para fazer, pelo menos, 10 cópias do nosso Sol. Os astrónomos ainda não conseguiram explicar o que provocou esta explosão.
Crédito: NASA, ESA e Equipa SM4 ERO do Hubble

Um novo estudo usando dados do Telescópio Espacial NuSTAR da NASA sugere que Eta Carinae, o sistema estelar mais luminoso e massivo até 10.000 anos-luz, está a acelerar partículas a altas energias – algumas das quais podem chegar à Terra como raios cósmicos.

“Sabemos que as ondas de choque de estrelas mortas podem acelerar partículas de raios cósmicos a velocidades comparáveis às da luz, um incremento incrível de energia,” disse Kenji Hamaguchi, astrofísico do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland, autor principal do estudo. “Processos semelhantes devem ocorrer noutros ambientes extremos. A nossa análise indica que Eta Carinae é um deles.”

Os astrónomos sabem que os raios cósmicos com energias superiores a mil milhões de electrões-volt (eV) chegam até nós além do nosso Sistema Solar. Mas dado que todas estas partículas – electrões, protões e núcleos atómicos – transportam uma carga eléctrica, desviam-se do seu percurso sempre que encontram campos magnéticos. Isto baralha os percursos e mascara as suas origens.

Eta Carinae, localizada a cerca de 7500 anos-luz de distância na direcção da constelação de Quilha (Carina), é famosa por uma explosão do século XIX que brevemente a tornou na segunda estrela mais brilhante do céu. Este evento também expeliu uma enorme nebulosa em forma de ampulheta, mas a causa da erupção ainda é pouco conhecida.

O sistema contém um par de estrelas massivas cujas órbitas excêntricas as aproximam a cada 5,5 anos. As estrelas contêm 90 e 30 vezes a massa do nosso Sol e passam a 235 milhões de quilómetros na sua maior aproximação – mais ou menos a distância média entre Marte e o Sol.

“Ambas as estrelas de Eta Carinae dirigem poderosos fluxos chamados ventos estelares,” disse o membro da equipa Michael Corcoran, também de Goddard. “O local onde estes ventos chocam muda durante o ciclo orbital, o que produz um sinal periódico em raios-X de baixa energia que estamos a rastrear há mais de duas décadas.”

O Telescópio Espacial de raios-gama Fermi da NASA também observa uma mudança nos raios-gama – luz muito mais energética do que os raios-X – de uma fonte na direcção de Eta Carinae. Mas a visão do Fermi não é tão nítida quanto as dos telescópios de raios-X, de modo que os astrónomos não puderam confirmar a ligação.

Para preencher a lacuna entre a monitorização de raios-X de baixa energia e as observações do Fermi, Hamaguchi e colegas recorreram ao NuSTAR. Lançado em 2012, o NuSTAR pode focar-se em raios-X muito mais energéticos do que qualquer telescópio anterior. Utilizando tanto dados recolhidos recentemente como de arquivo, a equipa examinou observações do NuSTAR obtidas entre Março de 2014 e Junho de 2016, juntamente com observações de raios-X de baixa energia do satélite XMM-Newton da ESA no mesmo período.

Os raios-X de baixa energia de Eta Carinae vêm do gás na interface dos ventos estelares em colisão, onde as temperaturas excedem os 40 milhões de graus Celsius. Mas o NuSTAR detecta uma fonte emissora de raios-X acima dos 30.000 eV, cerca de três vezes mais do que pode ser explicado por ondas de choque nos ventos em colisão. Para comparação, a energia da luz visível varia de mais ou menos 2 eV para 3 eV.

A análise da equipa, apresentada na edição de 2 de Julho da Nature Astronomy, mostra que esses raios-X variam com o período orbital binário e indica um padrão de saída de energia similar ao dos raios-gama observados pelo Fermi.

Os investigadores dizem que a melhor explicação para os raios-X energéticos e a emissão de raios-gama é a aceleração de electrões em violentas ondas de choque ao longo da fronteira dos ventos estelares em colisão. Os raios-X detectados pelo NuSTAR e os raios-gama detectados pelo Fermi surgem da luz estelar, devido a um enorme aumento de energia pelas interacções com esses electrões.

Alguns dos electrões super-rápidos, bem como outras partículas aceleradas, devem escapar do sistema e talvez alguns deambulem eventualmente até à Terra, onde podem ser detectados como raios cósmicos.

“Nós sabemos há algum tempo que a região em torno de Eta Carinae é a fonte de emissão energética de raios-X e raios-gama de alta energia,” acrescenta Fiona Harrison, investigadora principal do NuSTAR e professora de astronomia no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) em Pasadena. “Mas até que o NuSTAR foi capaz de identificar a radiação, mostrar que vinha do binário e de estudar as suas propriedades em detalhe, a origem permanecia misteriosa.”

Astronomia On-line
6 de Julho de 2018

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350: BRILHANDO COM A LUZ DE MILHÕES DE SÓIS

A ULX detectada em M51, assinalada no círculo.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Caltech/M. Brightman et al.; óptico – NASA/STScI

Na década de 1980, os cientistas começaram a descobrir uma nova classe de fontes extremamente brilhantes de raios-X em galáxias. Estas fontes foram uma surpresa, pois estavam claramente localizadas longe dos buracos negros super-massivos situados no centro das galáxias. Ao início, os investigadores acharam que muitas destas fontes ultra-luminosas de raios-X, ou ULXs (“ultraluminous X-ray sources” em inglês), eram buracos negros que continham massas entre 100 e 100.000 vezes a do Sol. Trabalhos posteriores mostraram que algumas delas podiam ser buracos negros de massa estelar, contendo até algumas dezenas de vezes a massa do Sol.

Em 2014, observações com o NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) e com o Observatório de raios-X Chandra da NASA mostraram que algumas ULXs, que em raios-X tinham uma luminosidade equivalente à produzida por vários milhões de sóis em todos os comprimentos de onda, eram objectos ainda menos massivos chamados estrelas de neutrões. Estas são os núcleos gastos de estrelas massivas que explodiram. As estrelas de neutrões normalmente contêm apenas cerca de 1,5 vezes a massa do Sol. Três destas ULXs foram identificadas como estrelas de neutrões nos últimos anos. Os cientistas descobriram variações regulares, ou “pulsações”, na emissão de raios-X das ULXs, um comportamento que é exibido por estrelas de neutrões, mas não por buracos negros.

Agora, cientistas usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA identificaram uma quarta ULX como sendo uma estrela de neutrões e encontraram novas pistas sobre como estes objectos podem brilhar tão intensamente. Esta recém-caracterizada ULX está localizada na Galáxia do Redemoinho, também conhecida como M51. A imagem composta de M51 contém raios-X do Chandra (roxo) e dados ópticos do Telescópio Espacial hubble (vermelho, verde e azul). A ULX está assinalada no círculo.

As estrelas de neutrões são objectos extremamente densos – uma colher de chá do seu material teria uma massa superior a mil milhões de toneladas, tanto quanto uma montanha. A intensa gravidade das estrelas de neutrões retira material a estrelas companheiras e enquanto este material cai em direcção à estrela de neutrões, aquece e brilha em raios-X. À medida que mais e mais matéria cai sobre a estrela de neutrões, chega um ponto em que a pressão dos raios-X resultantes se torna tão intensa que afasta a matéria. Os astrónomos chamam a este ponto – quando os objectos tipicamente não conseguem acumular matéria mais depressa e libertar ainda mais raios-X – limite de Eddington. O novo resultado mostra que esta ULX está a ultrapassar o limite de Eddington para uma estrela de neutrões.

Os cientistas analisaram dados de arquivo recolhidos pelo Chandra e descobriram uma queda invulgar no espectro de raios-X da ULX, que é a intensidade de raios-X medidos em diferentes comprimentos de onda. Depois de excluírem outras possibilidades, concluíram que a queda foi provavelmente de um processo chamado dispersão de ressonância do ciclotrão, que ocorre quando as partículas carregadas – ou protões carregados positivamente ou electrões carregados negativamente – circulam num campo magnético. O tamanho da queda no espectro de raios-X, chamado linha do ciclotrão, implica forças de campo magnético que são pelo menos 10.000 vezes maiores do que as associadas com a matéria que espirala para um buraco negro de massa estelar, mas estão dentro do intervalo observado para as estrelas de neutrões. Isto fornece fortes evidências de que esta ULX é uma estrela de neutrões em vez de um buraco negro e é a primeira identificação do género que não envolveu a detecção de pulsações de raios-X.

A determinação precisa da intensidade do campo magnético depende do conhecimento da causa da linha do ciclotrão, protões ou electrões. Se a linha for da circulação de protões, então os campos magnéticos em torno da estrela de neutrões são extremamente fortes, comparáveis aos campos magnéticos mais fortes produzidos pelas estrelas de neutrões e podem de facto ajudar a quebrar o limite de Eddington. Estes fortes campos magnéticos podem reduzir a pressão dos raios-X de uma ULX – a pressão que normalmente afasta a matéria – permitindo que a estrela de neutrões consuma mais matéria do que o esperado.

Se a linha do ciclotrão for da circulação de electrões, em contraste, então a força do campo magnético em torno da estrela de neutrões será aproximadamente 10.000 vezes mais fraco e, portanto, não é suficientemente poderosa para o fluxo sobre esta estrela de neutrões superar o limite de Eddington.

Actualmente, os cientistas não têm um espectro da nova ULX com detalhes suficientes para determinar a origem da linha do ciclotrão. Para resolver este mistério, os investigadores planeiam obter mais dados de raios-X da ULX em M51 e procurar linhas do ciclotrão noutras ULXs.

O artigo científico que descreve esta investigação, liderado por Murray Brightman do Instituto de Tecnologia da Califórnia, foi publicado na edição mais recente da revista Nature Astronomy.

Astronomia on-line
6 de março de 2018

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99: NUSTAR EXAMINA MISTÉRIO DOS JACTOS DOS BURACOS NEGROS

 

Impressão de artista que mostra um buraco negro com um disco de acreção – uma estrutura achatada de material em órbita de um buraco negro – e um jacto de gás quente, chamado plasma.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Os buracos negros são famosos por serem comedores vorazes, mas eles não comem tudo o que cai na sua direcção. Uma pequena porção de material é lançado sobre a forma de poderosos jactos de gás quente, chamado plasma, que podem causar estragos nos arredores. Ao longo do caminho, este plasma de alguma forma fica energizado o suficiente para irradiar luz fortemente, formando duas colunas brilhantes ao longo do eixo de rotação do buraco negro. Os cientistas há muito que discutem onde e como isto acontece no jacto.

Os astrónomos têm novas pistas acerca deste mistério. Usando o telescópio espacial NuSTAR da NASA e uma câmara rápida chamada ULTRACAM acoplada ao Observatório William Herschel em La Palma, Espanha, cientistas conseguiram medir a distância que as partículas nos jactos viajam antes de se “ligarem” e se tornarem fontes brilhantes de luz. Essa distância é chamada “zona de aceleração”. O estudo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Os cientistas examinaram dois sistemas na Via Láctea chamados de “binários de raios-X”, cada um com um buraco negro alimentando-se de uma estrela normal. Eles estudaram estes sistemas em diferentes ocasiões durante períodos de explosão, que é quando o disco de acreção – uma estrutura achatada de material em órbita do buraco negro – acende-se devido à queda do material.

Um sistema, chamado V404 Cygni, atingiu quase o seu brilho máximo quando os cientistas o observaram em Junho de 2015. Nessa altura, foi considerada a explosão mais brilhante de um binário de raios-X vista no século XXI. O outro, chamado GX 339-4, tinha menos de 1% do seu brilho máximo esperado quando observado. A estrela e o buraco negro de GX 339-4 estão muito mais próximos um do outro do que os objectos homólogos do sistema V404 Cygni.

Apesar das suas diferenças, os sistemas mostraram atrasos de tempo semelhantes – cerca de um-décimo de segundo – entre o momento que o NuSTAR detectou pela primeira vez os raios-X e o momento que a ULTRACAM detectou explosões no visível. Esse atraso é inferior a um piscar de olhos, mas significativo para a física dos jactos dos buracos negros.

“Uma possibilidade é que a física do jacto não é determinada pelo tamanho do disco, mas sim pela velocidade, temperatura e outras propriedades das partículas na base do jacto,” afirma Poshak Gandhi, autor principal do estudo e astrónomos da Universidade de Southampton, Reino Unido.

A melhor teoria que os cientistas têm para explicar estes resultados é que os raios-X têm origem no material muito próximo do buraco negro. Campos magnéticos fortes impulsionam parte deste material a altas velocidades ao longo do jacto. Isto resulta em partículas que colidem quase à velocidade da luz, energizando o plasma até que começa a emitir a corrente de radiação ótica captada pela ULTRACAM.

Onde é que isto ocorre no jacto? O desfasamento medido entre os raios-X e a radiação visível explica isto. Ao multiplicar esse tempo pela velocidade das partículas, que é quase a velocidade da luz, os cientistas determinam a distância máxima percorrida.

Esta extensão de aproximadamente 30.000 quilómetros representa a zona de aceleração interna no jacto, onde o plasma sente a aceleração mais forte e “acende” a luz. Este valor corresponde a pouco menos de três vezes o diâmetro da Terra, mas é minúsculo em termos cósmicos, especialmente considerando que o buraco negro no sistema V404 Cygni tem uma massa correspondente a 3 milhões de Terras.

“Os astrónomos esperam refinar os modelos dos mecanismos que alimentam os jactos usando os resultados deste estudo,” comenta Daniel Stern, co-autor do estudo e astrónomo do JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia.

Fazer estas medições não foi tarefa fácil. Os telescópios de raios-X no espaço e os telescópios ópticos no chão têm que observar binários de raios-X exactamente ao mesmo tempo durante as explosões para que os cientistas possam calcular o pequeno atraso entre as detecções dos telescópios. Esta coordenação requer um planeamento complexo entre as equipas dos observatórios. Na verdade, a coordenação entre o NuSTAR e a ULTRACAM só foi possível durante cerca de uma hora aquando da explosão de 2015, mas isso foi suficiente para calcular os resultados inovadores acerca da zona de aceleração.

Os resultados também parecem relacionar-se com a compreensão dos cientistas acerca dos buracos negros super-massivos, muito maiores do que os deste estudo. Num sistema super-massivo chamado BL Lacertae, com 200 milhões de vezes a massa do nosso Sol, os cientistas inferiram desfasamentos de tempo milhões de vezes maiores do que os que este estudo encontrou. Isto significa que o tamanho da zona de aceleração dos jactos está provavelmente relacionado com a massa do buraco negro.

“Estamos entusiasmados porque parece que encontrámos um padrão característico relacionado com o funcionamento interno dos jactos, não apenas nos buracos negros de massa estelar como V404 Cygni, mas também nos buracos negros super-massivos,” explica Gandhi.

Os próximos passos são a confirmação deste atraso medido em observações de outros binários de raios-X e o desenvolvimento de uma teoria que possa ligar os jactos dos buracos negros de todos os tamanhos.

“Os telescópios espaciais e terrestres, trabalhando em conjunto, foram a chave para esta descoberta. Mas ainda há muito para aprender. O futuro é promissor para a compreensão da física extrema dos buracos negros,” realça Fiona Harrison, investigadora principal do NuSTAR e professora de astronomia no Caltech em Pasadena.

in Astronomia On-line
3 de Novembro de 2017

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