3214: NICER fornece as melhores medições de sempre de um pulsar, primeiro mapa da superfície

CIÊNCIA

O NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA instalado na Estação Espacial Internacional.
Crédito: NASA

Os astrofísicos estão a redesenhar a imagem académica dos pulsares, os remanescentes densos e rodopiantes de estrelas mortas, graças ao NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA, um telescópio de raios-X a bordo da Estação Espacial Internacional. Usando dados do NICER, os cientistas obtiveram as primeiras medições precisas e confiáveis, tanto do tamanho de um pulsar quanto da sua massa, bem como o primeiro mapa de manchas quentes à sua superfície.

O pulsar em questão, J0030+0451 (ou J0030 para abreviar), fica numa região isolada do espaço a 1100 anos-luz de distância na direcção da constelação de Peixes. Ao medir a massa e o tamanho do pulsar, o NICER revelou que as formas e os locais de “manchas quentes” com milhões de graus, à superfície do pulsar, são muito mais estranhas do que se pensava.

“Da sua posição na Estação Espacial, o NICER está a revolucionar a nossa compreensão dos pulsares,” disse Paul Hertz, director da divisão de astrofísica na sede da NASA em Washington. “Os pulsares foram descobertos há mais de 50 anos como faróis estelares que colapsaram em núcleos densos, comportando-se como nada que vemos na Terra. Com o NICER, podemos investigar a natureza destes remanescentes densos de maneiras que pareciam impossíveis até agora.”

Uma série de artigos que analisam as observações de J0030 pelo NICER são o foco de uma edição da revista The Astrophysical Journal Letters e estão disponíveis online.

Quando uma estrela massiva morre, fica sem combustível, colapsa sob o seu próprio peso e explode como uma super-nova. Estas mortes estelares podem deixar para trás estrelas de neutrões, que acumulam mais massa do que o nosso Sol numa esfera com o tamanho de uma cidade. Os pulsares, que são uma classe de estrela de neutrões, giram centenas de vezes por segundo e varrem feixes energéticos a cada rotação. J0030 gira 205 vezes por segundo.

Durante décadas, os cientistas tentaram descobrir exactamente como é que os pulsares funcionam. No modelo mais simples, um pulsar possui um poderoso campo magnético em forma de imã. O campo é tão forte que rasga partículas da superfície do pulsar e acelera-as. Algumas partículas seguem o campo magnético e atingem o lado oposto, aquecendo a superfície e criando manchas quentes nos pólos magnéticos. Todo o pulsar brilha levemente em raios-X, mas as manchas quentes são mais brilhantes. À medida que o objecto gira, estas manchas entram e saem da nossa vista como feixes de um farol, produzindo variações extremamente regulares no brilho de raios-X do objecto. Mas os novos estudos de J0030 pelo NICER mostram que os pulsares não são tão simples.

Usando observações do NICER de Julho de 2017 a Dezembro de 2018, dois grupos de cientistas mapearam as manchas quentes de J0030 usando métodos independentes e convergiram em resultados semelhantes para a sua massa e tamanho. Uma equipa liderada por Thomas Riley, estudante de doutoramento em astrofísica computacional, e a sua supervisora Anna Watts, professora de astrofísica da Universidade de Amesterdão, determinaram que o pulsar tem cerca de 1,3 vezes a massa do Sol e 25,4 km de diâmetro. Cole Miller, professor de astronomia na Universidade de Maryland, que liderou a segunda equipa, descobriu que J0030 tem aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol e é um pouco maior, com 26 km de diâmetro.

“Quando começámos a estudar J0030, a nossa compreensão de como simular pulsares estava incompleta, e ainda está,” explicou Riley. “Mas graças aos dados detalhados do NICER, a ferramentas de código aberto, a computadores de alto desempenho e ao excelente trabalho em equipa, temos agora uma estrutura para o desenvolvimento de modelos mais realísticos destes objectos.”

Um pulsar é tão denso que a sua gravidade distorce o espaço-tempo próximo – o “tecido” do Universo, conforme descrito pela teoria geral da relatividade de Einstein – da mesma maneira que uma bola de bowling num trampolim estica a superfície. O espaço-tempo é tão distorcido que a luz no lado do pulsar voltado na direcção oposta à Terra é “dobrada” e redireccionada para nós. Isto faz a estrela parecer maior do que é. O efeito também significa que as manchas quentes nunca podem desaparecer completamente à medida que giram para o lado oposto da estrela. O NICER mede a chegada de cada raio-X de um pulsar a mais de cem nano-segundos, uma precisão cerca de 20 vezes maior do que a disponível anteriormente, para que os cientistas possam tirar vantagem deste efeito pela primeira vez.

“As medições incomparáveis de raios-X do NICER permitiram-nos fazer os cálculos mais precisos e confiáveis do tamanho de um pulsar até ao momento, com uma incerteza inferior a 10%,” disse Miller. “Toda a equipa do NICER deu uma contribuição importante à física fundamental que é impossível investigar em laboratórios terrestres.”

A perspectiva da Terra observa o hemisfério norte de J0030. Quando as equipas mapearam as formas e posições das manchas de J0030, esperavam encontrar algo parecido à imagem dos pulsares que temos nos livros. Ao invés, os cientistas identificaram até três “manchas” quentes, todas no hemisfério sul.

Riley e colegas correram simulações usando círculos sobrepostos de diferentes tamanhos e temperaturas para recriar os sinais de raios-X. A realização das suas análises no supercomputador nacional holandês Cartesius levou menos de um mês – mas seriam necessários cerca de 10 anos num computador normal. A sua solução identifica duas manchas quentes, uma pequena e circular e a outra longa e em forma de crescente.

O grupo de Miller realizou simulações semelhantes, mas com ovais de diferentes tamanhos e temperaturas, no supercomputador Deepthough2 da Universidade de Maryland. Encontraram duas configurações possíveis e igualmente prováveis de manchas. Uma tinha duas ovais que se assemelham ao padrão encontrado pela equipa de Riley. A segunda solução acrescenta uma terceira mancha, mais fria, ligeiramente ao lado do pólo rotacional sul do pulsar.

As previsões teóricas anteriores sugeriam que as localizações e formas das manchas quentes podiam variar, mas os estudos de J0030 são os primeiros a mapear estas características à superfície. Os cientistas ainda estão a tentar determinar a razão da organização e forma das manchas de J0030, mas, por enquanto, está claro que os campos magnéticos dos pulsares são mais complicados do que o modelo tradicional de dois pólos.

O principal objectivo científico do NICER é determinar com precisão as massas e tamanhos de vários pulsares. Com esta informação os cientistas serão finalmente capazes de decifrar o estado de matéria nos núcleos das estrelas de neutrões, matéria esmagada por tremendas pressões e densidades que não pode ser replicada na Terra.

“É notável, e também muito reconfortante, que as duas equipas tenham atingido semelhantes tamanhos, massas e padrões de manchas quentes em J0030 usando diferentes abordagens de modelagem,” disse Zaven Arzoumanian, líder científico do NICER no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland, EUA. “Diz-nos que o NICER está no caminho certo para ajudar a responder a uma pergunta duradoura na astrofísica: que forma assume a matéria nos núcleos ultra-densos das estrelas de neutrões?”

Astronomia On-line
17 de Dezembro de 2019

 

spacenews

 

2630: Flashes periódicos e inesperados podem lançar luz sobre a acreção de buracos negros

CIÊNCIA

Uma visão de raios-X do buraco negro activo no núcleo da galáxia distante GSN 069, a cerca de 250 milhões de anos-luz de distância, com base em dados do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA. A parte superior da animação mostra as observações reais e o gráfico na parte inferior mostra variações no brilho dos raios-X da fonte em relação ao seu nível “inactivo”.
Esta animação é baseada em quase 40 horas de observações desta fonte, que passa por erupções nunca antes vistas – de nome “erupções quase periódicas”, ou EQPs – a cada nove horas. A sequência foi acelerada para fins de ilustração; cada quadro corresponde a cerca de 3 minutos de tempo real de exposição do XMM-Newton.
Estas erupções foram detectadas pela primeira vez no dia 24 de Dezembro de 2018, quando a fonte aumentou repentinamente de brilho por um factor de 100, e depois voltou aos seus níveis normais numa hora, só para “reacender” novamente nove horas depois.
Embora nunca antes observados, os cientistas pensam que erupções quase periódicas como estas podem ser na realidade comuns no Universo.
Crédito: ESA/XMM-Newton; G. Miniutti & M. Giustini (CAB, CSIC-INTA, Espanha)

O telescópio espacial de raios-X da ESA, XMM-Newton, detectou explosões periódicas nunca antes vistas de radiação de raios-X provenientes de uma galáxia distante que poderão ajudar a explicar alguns comportamentos enigmáticos de buracos negros activos.

O XMM-Newton, o mais poderoso observatório de raios-X, descobriu alguns flashes misteriosos do buraco negro activo no núcleo da galáxia GSN 069, a cerca de 250 milhões de anos-luz de distância. No dia 24 de Dezembro de 2018, a fonte aumentou repentinamente de brilho por um factor de 100, e depois voltou aos seus níveis normais numa hora, só para “reacender” novamente nove horas depois.

“Foi completamente inesperado,” diz Giovanni Miniutti, do Centro de Astrobiologia de Madrid, Espanha, autor principal de um novo artigo publicado anteontem na revista Nature.

“Os buracos negros gigantes piscam regularmente como uma vela, mas as mudanças rápidas e repetidas observadas em GSN 069 a partir do mês de Dezembro são algo completamente novo.”

Outras observações, realizadas com o XMM-Newton bem como com o Observatório de raios-X Chandra da NASA nos meses seguintes, confirmaram que o buraco negro distante ainda mantinha o ritmo, emitindo rajadas quase periódicas de raios-X a cada nove horas. Os investigadores estão a chamar o novo fenómeno de “erupções quase periódicas,” ou EQPs.

“A emissão de raios-X vem de material que está a ser acretado no buraco negro e aquecido no processo,” explica Giovanni.

“Existem vários mecanismos no disco de acreção que podem dar origem a este tipo de sinal quase periódico, potencialmente ligado a instabilidades no fluxo de acreção próximo do buraco negro central.

“Alternativamente, as erupções podem ser devidas à interacção do material do disco com um segundo corpo – outro buraco negro ou talvez o remanescente de uma estrela anteriormente perturbada pelo buraco negro.”

Embora nunca antes observados, Giovanni e colegas pensam que surtos periódicos como estes podem ser na realidade comuns no Universo.

É possível que o fenómeno não tenha sido identificado antes, porque a maioria dos buracos negros nos núcleos de galáxias distantes, com massas de milhões a milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol, são muito maiores do que o buraco negro em GSN 069, que é apenas cerca de 400.000 vezes mais massivo do que o nosso Sol.

Quanto maior e mais massivo o buraco negro, mais lentas as flutuações de brilho que pode exibir, de modo que um típico buraco negro super-massivo entra em erupção não a cada nove horas, mas a cada poucos meses ou anos. Isto tornaria a detecção improvável, pois as observações raramente abrangem períodos de tempo tão longos.

E mais: as EQPs como as encontradas em GSN 069 podem fornecer uma estrutura natural para interpretar alguns padrões intrigantes observados numa fracção significativa de buracos negros activos, cujo brilho parecer variar demasiado depressa para ser facilmente explicado pelos modelos teóricos actuais.

“Conhecemos muitos buracos negros massivos cujo brilho aumenta ou diminui por factores muito elevados em dias ou meses, enquanto esperamos que variem num ritmo muito mais lento,” explica Giovanni.

“Mas se parte desta variabilidade corresponder às fases de subida ou descida de erupções semelhantes às descobertas em GSN 069, então a rápida variabilidade destes sistemas, que parece actualmente inviável, pode ser explicada naturalmente. Novos dados e novos estudos dirão se esta analogia realmente se aplica.”

As erupções quase periódicas avistadas em GSN 069 também podem explicar outra propriedade intrigante observada na emissão de raios-X de quase todos os buracos negros super-massivos brilhantes com acreção: o chamado “excesso suave”.

Consiste na emissão aprimorada a baixas energias de raios-X, e ainda não há consenso sobre o que a provoca, a teoria principal invocando uma nuvem de electrões aquecidos perto do disco de acreção.

Tal como buracos negros semelhantes, o de GSN 069 exibe um excesso de raios-X tão suave durante as explosões, mas não entre as erupções.

“Podemos estar a testemunhar a formação do excesso suave em tempo real, o que poderá esclarecer a sua origem física,” diz o co-autor Richard Saxton da equipa de operações do XMM-Newton no centro de astronomia da ESA na Espanha.

“De momento, não se sabe como a nuvem de electrões é criada, mas estamos a tentar identificar o mecanismo estudando as mudanças no espectro de raios-X de GSN 069 durante as erupções.”

A equipa já está a tentar identificar as propriedades que definem GSN 069, no momento em que as erupções periódicas foram detectadas pela primeira vez, a fim de procurar mais casos de estudo.

“Um dos nossos objectivos imediatos é procurar erupções quase periódicas de raios-X noutras galáxias, para melhor entender a origem física deste novo fenómeno,” acrescenta a co-autora Margherita Giustini do Centro de Astrobiologia de Madrid.

“GSN 069 é uma fonte extremamente fascinante, com potencial para se tornar numa referência no campo da acreção de buracos negros,” diz Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA.

A descoberta não teria sido possível sem as capacidades do XMM-Newton.

“Estas explosões acontecem na parte menos energética da banda de raios-X, onde o XMM-Newton é imbatível. Certamente precisaremos de usar o observatório novamente se quisermos encontrar mais destes tipos de eventos no futuro,” conclui Norbert.

Astronomia On-line
13 de Setembro de 2019