2698: Pulsos raios gama de estrela de neutrões que gira 707 vezes por segundo

Um pulsar e a sua pequena companheira estelar, vistas no seu plano orbital. A poderosa radiação e o “vento” pulsar – um fluxo de partículas altamente energéticas – aquecem fortemente o lado da estrela orientado na direcção do pulsar até temperaturas duas vezes mais altas do que a superfície do Sol. O pulsar está a evaporar gradualmente a sua parceira, que enche o sistema com gás ionizado e impede os astrónomos de detectarem, na maior parte do tempo, o feixe rádio do pulsar.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/Cruz deWilde

Uma equipa internacional de investigação liderada pelo Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein em Hannover) descobriu que o pulsar de rádio J0952-0607 também emite radiação gama pulsada. J0952-0607 gira 707 vezes por segundo e é o segundo na lista de estrelas de neutrões de rápida rotação. Através da análise de 8,5 anos de dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA, observações de rádio do LOFAR dos últimos dois anos, observações de dois grandes telescópios ópticos, e dados de ondas gravitacionais dos detectores LIGO, a equipa usou uma abordagem variada para estudar em detalhe o sistema binário do pulsar e da sua companheira leve. O estudo publicado na revista The Astrophysical Journal mostra que os sistemas pulsares extremos estão escondidos nos catálogos Fermi e motiva investigações adicionais. Apesar de muito extensa, a análise também levanta novas questões não respondidas sobre este sistema.

Os pulsares são os restos compactos de explosões estelares que possuem fortes campos magnéticos e que giram muito depressa. Emitem radiação como um farol cósmico e podem ser observados como pulsares de rádio e/ou pulsares de raios gama, dependendo da sua orientação para a Terra.

O pulsar mais rápido fora dos enxames globulares

PSR J0952-0607 (o nome indica a posição no céu) foi descoberto pela primeira vez em 2017 por observações de rádio de uma fonte identificada pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi como possivelmente um pulsar. Não foram detectadas pulsações de raios gama nos dados do LAT (Large Area Telescope) a bordo do Fermi. Observações com os radiotelescópios LOFAR identificaram uma fonte de rádio pulsante e – juntamente com as observações por telescópios ópticos – permitiram medir algumas propriedades do pulsar. Está a orbitar o centro de massa comum em 6,2 horas com uma estrela companheira que tem apenas 1/50 da massa do nosso Sol. O pulsar gira 707 vezes por segundo e é, portanto, a mais rápida rotação na nossa Galáxia para lá dos densos ambientes dos enxames globulares.

Procurando sinais extremamente fracos

Usando estas informações anteriores do sistema binário, Lars Nieder, estudante de doutoramento no Instituto Albert Einstein em Hannover, decidiu verificar se o pulsar também emitia raios gama pulsados. “Esta investigação é extremamente desafiadora porque o Telescópio de Raios Gama Fermi apenas registou o equivalente a cerca de 200 raios gama oriundos do pulsar fraco nos seus 8,5 anos de observações. Durante este período, o próprio pulsar girou 220 mil milhões de vezes. Por outras palavras, apenas foi observado um raio gama a cada mil milhões de rotações!”, explicou Nieder. “Para cada um destes raios gama, a pesquisa deve identificar exactamente quando e qual das rotações de 1,4 milissegundos o emitiu.”

Isto requer vasculhar os dados com uma resolução muito fina para não perder nenhum sinal possível. O poder de computação necessário é enorme. A busca muito sensível por pulsações leves de raios gama levaria 24 anos a ser concluída num único núcleo de computador. Ao usarem o complexo computacional do Instituto Albert Einstein em Hannover, terminaram em apenas 2 dias.

Uma estranha primeira detecção

“A nossa pesquisa encontrou um sinal, mas algo estava errado! O sinal era muito fraco e não estava exactamente onde deveria estar. A razão: a nossa detecção de raios gama de J0952-0607 havia revelado um erro de posição nas observações iniciais do telescópio óptico que usámos para direccionar a nossa análise. A nossa descoberta das pulsações de raios gama revelou este erro,” explica Nieder. “Este erro foi corrigido na publicação que relatou a descoberta do pulsar de rádio. Uma nova e extensa pesquisa de raios gama fez uma descoberta bastante fraca – mas estatisticamente significativa – de pulsar de raios gama na posição corrigida.”

Tendo descoberto e confirmado a existência da radiação gama pulsada do pulsar, a equipa voltou aos dados do Fermi e usou os 8,5 anos completos de Agosto de 2008 a Janeiro de 2017 para determinar os parâmetros físicos do pulsar e do seu sistema binário. Dado que a radiação gama de J0952-0607 era muito fraca, tiveram que aprimorar o seu método de análise desenvolvido anteriormente para incluir correctamente todas as incógnitas.

Outra surpresa: sem pulsos gama até Julho de 2011

A solução derivada continha outra surpresa, porque era impossível detectar pulsos de raios gama da estrela de neutrões nos dados anteriores a Julho de 2011. A razão pela qual o pulsar parece apenas mostrar pulsos após essa data é desconhecida. As variações na quantidade de raios gama emitidos podem ser uma razão, mas o pulsar é tão ténue que não foi possível testar esta hipótese com precisão suficiente. Alterações na órbita do pulsar, vistas em sistemas similares, também podem fornecer uma explicação, mas não havia sequer uma pista nos dados de que isso estava a acontecer.

Observações ópticas levantam outras questões

A equipa também usou observações com o NTT (New Technology Telescope) do ESO em La Silla e com o GTC (Gran Telescopio Canarias) em La Palma para examinar a estrela companheira do pulsar. Muito provavelmente tem bloqueio de marés em relação ao pulsar, como a Lua em relação à Terra, de modo que um lado está sempre virado para o pulsar e é aquecido pela sua radiação. Embora a estrela companheira orbite o sistema de massa do binário, o seu lado “diurno” mais quente e o seu lado “nocturno” mais frio são visíveis da Terra e o brilho e a cor observada variam.

Estas observações criam outro enigma. Embora as observações rádio apontem para uma distância de aproximadamente 4400 anos-luz, as observações ópticas implicam uma distância cerca de três vezes maior. Se o sistema estivesse relativamente próximo da Terra, apresentaria uma companheira extremamente compacta e densa, nunca antes vista, enquanto as distâncias maiores são compatíveis com as densidades de companheiras pulsares semelhantes conhecidas. Uma explicação para esta discrepância pode ser a existência de ondas de choque no vento de partículas do pulsar, que podem levar a um aquecimento diferente da companheira. Mais observações de raios gama com o LAT do Fermi devem ajudar a responder a esta pergunta.

À procura de ondas gravitacionais contínuas

Outro grupo de investigadores do Instituto Albert Einstein em Hannover procurou a emissão contínua de ondas gravitacionais do pulsar usando dados da primeira (O1) e da segunda (O2) campanhas de observação do LIGO. Os pulsares podem emitir ondas gravitacionais quando possuem pequenas “colinas” ou “inchaços” à sua superfície. A investigação não detectou ondas gravitacionais, o que significa que a forma do pulsar deve estar muito próxima de uma esfera perfeita, com as maiores deformações não excedendo fracções de um milímetro.

Estrelas de neutrões em rápida rotação

A compreensão dos pulsares em rápida rotação é importante porque são sondas da física extrema. A rapidez com que as estrelas de neutrões podem girar antes de se separarem devido às forças centrífugas é desconhecida e depende de física nuclear desconhecida. Os pulsares de milissegundo como J0952-0607 giram tão depressa porque foram acelerados pela acreção de matéria da sua companheira. Pensa-se que este processo enterre o campo magnético do pulsar. Com observações de raios gama a longo prazo, a equipa de investigação mostrou que J0952-0607 possui um dos dez campos magnéticos mais baixos já medidos para um pulsar, consistente com as expectativas teóricas.

Einstein@Home procura casos de estudo de física extrema

“Vamos continuar a estudar este sistema com observatórios de raios gama, rádio e ópticos, pois ainda há perguntas sem resposta. Esta descoberta também mostra mais uma vez que os sistemas pulsares extremos estão escondidos no catálogo LAT do Fermi,” diz o professor Bruce Allen, supervisor do doutoramento de Nieder e Director do Instituto Albert Einstein em Hannover. “Também estamos a utilizar o nosso projecto de computação distribuída de ciência cidadã, Einstein@Home, para procurar sistemas binários com pulsares de raios gama noutras fontes do LAT do Fermi e estamos confiantes que vamos fazer mais descobertas empolgantes no futuro.”

Astronomia On-line
24 de Setembro de 2019

 

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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