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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