760: Estrela minúscula liberta feixe gigantesco de matéria e antimatéria

CIÊNCIA/ASTROFÍSICA/ASTRONOMIA

O pulsar conhecido como PSR J2030+4415 em raios-X pelo Chandra e no visível pelo telescópio Gemini no Hawaii. O campo de visão de médio alcance mostra cerca de um-terço do comprimento de um filamento extremamente longo, ou feixe, do pulsar detectado nos dados do Chandra (comparar com a imagem de campo completo, à esquerda). A imagem de grande plano mostra onde os raios-X são criados pelas partículas que voam em torno do próprio pulsar. À medida que o pulsar se move pelo espaço, algumas destas partículas escapam e criam o filamento longo. Este feixe pode ajudar a explicar o número surpreendentemente grande de positrões, os homólogos de antimatéria dos electrões que os cientistas detectaram na Terra.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade de Stanford/M. de Vries; ótico – NSF/AURA/Consórcio Gemini

Os astrónomos fotografaram um feixe de matéria e antimatéria com mais de 60 biliões de quilómetros com o Observatório de raios-X Chandra. O feixe de raios-X é alimentado por um pulsar, uma estrela colapsada com rotação rápida e um forte campo magnético.

Com a sua tremenda escala, este feixe pode ajudar a explicar o número surpreendentemente grande de positrões, os homólogos de antimatéria dos electrões, por toda a Via Láctea.

Os astrónomos descobriram pela primeira vez o feixe, ou filamento, em 2020, mas não sabiam o seu comprimento total porque se estendia para lá do limite do detector do Chandra. Novas observações do Chandra feitas pelo mesmo par de investigadores em Fevereiro e Novembro de 2021 mostram que o filamento é cerca de três vezes mais longo do que o originalmente visto. O filamento abrange cerca de metade do diâmetro da Lua Cheia no céu, tornando-o o feixe mais longo de um pulsar, a partir do ponto de vista da Terra.

“É espantoso que um pulsar com apenas 16 km de diâmetro possa criar uma estrutura tão grande que a podemos ver a milhares de anos-luz de distância,” disse Martijn de Vries da Universidade Stanford em Palo Alto, no estado norte-americano da Califórnia, que liderou o estudo. “Com o mesmo tamanho relativo, se o filamento se esticasse de Nova Iorque a Los Angeles, o pulsar seria cerca de 100 vezes mais pequeno do que o objecto mais pequeno visível a olho nu.”

O pulsar tem o nome PSR J2030+4415 e está localizado a cerca de 1600 anos-luz da Terra. Este objecto do tamanho de uma cidade gira cerca de três vezes por segundo, mais depressa do que a maioria das ventoinhas de tecto.

Este resultado pode fornecer uma nova visão sobre a fonte de antimatéria da Via Láctea, que é semelhante à matéria comum, mas com as suas cargas eléctricas invertidas. Por exemplo, um positrão é equivalente, com carga positiva, ao electrão.

A grande maioria do Universo consiste de matéria comum e não antimatéria. Contudo, os cientistas continuam a encontrar evidências de um número relativamente grande de positrões em detectores na Terra, o que leva à questão: quais são as possíveis fontes desta antimatéria?

Os investigadores do novo estudo do Chandra pensam que pulsares como PSR J2030+4415 podem ser uma resposta. A combinação de dois extremos – a rotação veloz e os fortes campos magnéticos dos pulsares – leva à aceleração de partículas e radiação altamente energética que cria pares de electrões e positrões (o processo habitual de conversão de massa em energia, famoso pela equação E=mc^2 de Albert Einstein, é invertido, e a energia é convertida em massa).

O pulsar pode estar a “vazar” estes positrões para a Galáxia. Os pulsares geram ventos de partículas carregadas que estão normalmente confinados dentro dos seus poderosos campos magnéticos. O pulsar viaja através do espaço interestelar a cerca de 1,6 milhões de quilómetros por hora, com o vento a arrastar-se atrás dele. Um choque de gás na proa move-se em frente do pulsar, semelhante ao acumular de água na frente de um barco em movimento. No entanto, há cerca de 20 a 30 anos, o movimento de choque da proa parece ter estagnado, e o pulsar apanhou-o, resultando numa interacção com o campo magnético interestelar que corre quase em linha recta da esquerda para a direita.

“Isto provavelmente desencadeou uma fuga de partículas,” disse o co-autor Roger Romani, também de Stanford. “O campo magnético do vento pulsar ligou-se ao campo magnético interestelar e os electrões e positrões altamente energéticos foram ‘esguichados’ através de um bocal formado pela ligação.”

À medida que as partículas se moviam então ao longo dessa linha do campo magnético interestelar a cerca de um-terço da velocidade da luz, tornaram-se brilhantes em raios-X. Isto produziu o feixe longo visto pelo Chandra.

Anteriormente, os astrónomos observaram grandes halos em torno de pulsares próximos em raios-gama que implicam que os positrões energéticos geralmente têm dificuldade em “vazar” para a Galáxia. Isto anula a ideia de que os pulsares explicam o excesso de positrões que os cientistas detectam. No entanto, filamentos de pulsares recentemente descobertos, como PSR J2030+4415, mostram que as partículas podem realmente escapar para o espaço interestelar e eventualmente chegar à Terra.

O artigo que descreve estes resultados aparecerá na revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Astronomia On-line
18 de março de 2022