Um raro binário “viúva negra”, com a órbita mais curta até agora

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Ilustração de um pulsar “viúva negra” e da sua companheira estelar. As emissões de raios-gama do pulsar (magenta) aquecem fortemente o lado frontal da estrela (laranja). O pulsar está gradualmente a evaporar a sua companheira.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/Cruz deWilde

O clarão de uma estrela próxima atraiu os astrónomos do MIT (Massachusetts Institute of Technology) para um novo e misterioso sistema a 3000 anos-luz da Terra. Este estranho objecto estelar parece ser um novo binário “viúva negra” – uma estrela de neutrões com rotação rápida, ou pulsar, que está a circular e a consumir lentamente uma estrela companheira mais pequena, como o homónimo aracnídeo faz ao seu companheiro.

Os astrónomos conhecem cerca de duas dúzias de “binários de viúvas negras” na Via Láctea. Este novo candidato, chamado ZTF J1406+1222, tem o período orbital mais curto até agora identificado, com o pulsar e a estrela companheira a orbitarem-se um ao outro a cada 62 minutos. O sistema é único, na medida em que parece abrigar uma terceira estrela, distante, que orbita em torno das duas estrelas interiores de 10.000 em 10.000 anos.

Esta provável viúva negra tripla está a levantar questões sobre como um tal sistema pode ter sido formado. Com base nas suas observações, a equipa do MIT propõe uma história de origem: tal como a maioria dos binários de viúvas negras, o sistema triplo provavelmente surgiu de uma densa constelação de estrelas velhas conhecida como enxame globular. Este enxame em particular pode ter-se dirigido para o centro da Via Láctea, onde a gravidade do buraco negro central foi suficiente para fragmentar o enxame, deixando intacta a viúva negra tripla.

“É um cenário complicado de nascimento,” diz Kevin Burdge, pós-doutorado no Departamento de Física do MIT. “Este sistema flutua provavelmente na Via Láctea há mais tempo do que o Sol.”

Burdge é o autor de um estudo publicado na revista Nature que detalha a descoberta da equipa. Os investigadores utilizaram uma nova abordagem para detectar o sistema triplo. Enquanto a maioria dos binários de viúvas negras são encontrados através dos raios-gama e raios-X emitidos pelo pulsar central, a equipa utilizou a luz visível, e especificamente o piscar da estrela companheira do binário, para detectar ZTF J1406+1222.

“Este sistema é realmente único até no que toca às viúvas negras, porque encontrámo-lo no visível, e devido à sua ampla companheira e ao facto de ter vindo do Centro Galáctico,” explica Burdge. “Ainda há muito que não compreendemos sobre ele. Mas temos uma nova forma de procurar estes sistemas no céu.”

Os co-autores do estudo são colaboradores de múltiplas instituições, incluindo a Universidade de Warwick, do Caltech, da Universidade de Washington, da Universidade McGill e da Universidade de Maryland.

Dia e noite

Os binários de viúvas negras são alimentados por pulsares – estrelas de neutrões de rotação rápida que são os núcleos colapsados de estrelas massivas. Os pulsares têm um período de rotação vertiginoso, girando a cada poucos milissegundos e emitindo no processo flashes de raios-gama e raios-X altamente energéticos.

Normalmente, os pulsares diminuem a sua rotação e morrem relativamente depressa à medida que queimam uma enorme quantidade de energia. Mas de vez em quando, uma estrela passageira pode dar uma nova vida ao pulsar. Quando uma estrela se aproxima, a gravidade do pulsar retira material da estrela, o que fornece nova energia à sua rotação. O pulsar “reciclado” começa então a reirradiar energia que retira ainda mais material à estrela, eventualmente destruindo-a.

“Estes sistemas são chamados de viúvas negras devido à forma como o pulsar consome o objecto que a reciclou, tal como a aranha come o seu companheiro,” diz Burdge.

Todos os binários de viúvas negras até à data foram detectados através dos flashes de raios-gama e raios-X do pulsar. ZTF J1406+1222 foi o primeiro sistema do género a ser detectado graças ao flash óptico da estrela companheira.

Ao que parece, o lado diurno da estrela companheira – o lado perpetuamente virado para o pulsar – pode ser muitas vezes mais quente do que o seu lado nocturno, devido à constante radiação altamente energética que recebe do pulsar.

“Pensei, em vez de procurar directamente o pulsar, tentar procurar a estrela que este está a ‘cozinhar’,” salientou Burdge.

Ele argumentou que se os astrónomos observassem uma estrela cujo brilho mudava periodicamente em grande quantidade, isso seria um sinal forte de que estava num binário com um pulsar.

Movimento estelar

Para testar esta teoria, Burdge e colegas examinaram dados ópticos obtidos pelo ZTF (Zwicky Transient Facility), um observatório no estado norte-americano da Califórnia que recolhe imagens de campo amplo do céu nocturno. A equipa estudou o brilho das estrelas para ver se alguma estava a mudar dramaticamente por um factor de 10 ou mais, numa escala de tempo de cerca de uma hora ou menos – sinais que indicam a presença de um pulsar em órbita íntima.

A equipa foi capaz de discernir a dúzia de binários de viúvas negras conhecidos, validando a precisão do novo método. Depois avistaram uma estrela cujo brilho mudava por um factor de 13, a cada 62 minutos, indicando que fazia provavelmente parte de um novo binário viúva negra, que rotularam de ZTF J1406+1222.

Procuraram a estrela em observações feitas pelo Gaia, um telescópio espacial operado pela ESA que mantém medições precisas da posição e movimento das estrelas no céu. Analisando medições da estrela para trás no tempo, graças aos dados do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), a equipa descobriu que o binário estava a ser seguido por outra estrela distante. A julgar pelos seus cálculos, esta terceira estrela parecia estar a orbitar o binário interior a cada 10.000 anos.

Curiosamente, os astrónomos não detectaram directamente emissões de raios-gama ou raios-X do pulsar no binário, que é a forma típica de confirmação das viúvas negras. ZTF J1406+1222, portanto, é considerado um candidato a binário viúva negra, que a equipa espera confirmar com futuras observações.

“A única coisa que sabemos ao certo é que vemos uma estrela com um lado diurno muito mais quente do que o lado nocturno, orbitando algo a cada 62 minutos,” acrescenta Burdge. “Tudo parece apontar para o facto de ser um binário viúva negra. Mas há aqui algumas coisas estranhas, por isso é possível que seja algo inteiramente novo.”

A equipa planeia continuar a observar o novo sistema, bem como a aplicar a técnica óptica para iluminar mais estrelas de neutrões e viúvas negras no céu.

Astronomia On-line
6 de Maio de 2022


Pelas vítimas do genocídio praticado
pela União Soviética de Putin, na Ucrânia
For the victims of the genocide practiced
by the Soviet Union of Putin, in Ukraine


 

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