Esta impressão artística mostra como as explosões nucleares em uma estrela de nêutrons alimentam os jatos que saem de suas regiões polares magnéticas. Crédito: Danielle Futselaar e Nathalie Degenaar, Instituto Anton Pannekoek, Universidade de Amsterdã
O telescópio espacial de raios gama Integral da ESA desempenhou um papel decisivo na captura de jactos de matéria expelidos para o espaço a um terço da velocidade da luz. O material e a energia foram liberados quando enormes explosões ocorreram na superfície de um Estrêla de Neutróns. Esta observação inédita no mundo provou ser “uma experiência perfeita” para explorar jatos astrofísicos de todos os tipos.
Os jatos são produzidos por muitos objetos astronômicos diferentes, mas estudá-los é difícil. Esses fluxos de matéria estão distantes e ver suas características é um desafio. Isso torna extremamente difícil rastrear a matéria se movendo ao longo de sua extensão para entender como o jato está sendo lançado e acelerado.
No entanto, uma equipa internacional de astrónomos, incluindo Thomas Russell, do Instituto Nacional de Astrofísica, INAF, Palermo, Itália, percebeu que certos tipos de estrelas de neutrões poderiam estar abertos a uma nova via de investigação.
Além dos buracos negros, as estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais desconcertantes do Universo. Uma estrela de nêutrons é formada nos últimos momentos da vida de uma estrela muito grande (com mais de oito vezes a massa do nosso Sol), quando o combustível nuclear em seu núcleo eventualmente se esgota. Num fim súbito e violento, as camadas exteriores da estrela são ejectadas com energia monstruosa numa explosão de supernova, deixando para trás nuvens espectaculares de material interestelar rico em poeira e metais pesados. No centro da nuvem (nebulosa), o denso núcleo estelar contrai-se ainda mais para formar uma estrela de nêutrons. Um buraco negro também pode se formar quando a massa do núcleo restante é maior que cerca de três massas solares. Crédito: ESA
As estrelas de nêutrons são cadáveres estelares supercompactos. Quando em órbita com outra estrela, o intenso campo gravitacional da estrela de nêutrons pode acabar puxando matéria de sua estrela companheira. Parte dessa matéria acumulada é então de alguma forma ejetada em jatos que correm ao longo do eixo de rotação da estrela de nêutrons, e o resto da matéria desce em espiral em direção à estrela de nêutrons. Lá, ele se acumula como uma camada na superfície. À medida que mais e mais material chove sobre a estrela de nêutrons, o campo gravitacional a comprime até que uma explosão nuclear descontrolada seja iniciada. Isso cria um evento cataclísmico conhecido como explosão de raios X tipo I.
A equipa concluiu que esta libertação repentina de matéria e energia da superfície da estrela de neutrões afectaria o jacto e que poderiam medir esta perturbação à medida que se propagava para fora. Se assim for, forneceria um novo método poderoso para estudar estes eventos violentos e energéticos. Atualmente conhecemos cerca de 125 estrelas de nêutrons que se comportam dessa maneira.
“Isso basicamente nos dá um experimento perfeito”, diz Thomas. “Temos um impulso muito breve e de curta duração de material extra que é lançado no jato e que podemos rastrear à medida que ele se move pelo jato para aprender sobre sua velocidade.”
Na caçada
Esta é uma medição crucial porque, uma vez estudadas estrelas de neutrões em acreção suficientes, a velocidade do jato pode revelar o mecanismo de lançamento dominante e mostrar se o jato é alimentado por campos magnéticos ancorados no material de acreção ou na própria estrela. A equipe identificou duas estrelas de nêutrons, chamadas 4U 1728-34 e 4U 1636-536 respectivamente, que apresentavam comportamento de explosão de raios-X. No entanto, apenas 4U 1728-34 provou ser brilhante o suficiente em comprimentos de onda de rádio na época para realizar o experimento com os detalhes necessários.
Depois houve um problema prático. Embora as explosões fossem visíveis em raios X, o jato apenas emitia ondas de rádio. Assim, a equipe precisava coordenar as observações do radiotelescópio na Terra para que ocorressem simultaneamente com as do satélite Integral, que é capaz de ver em raios X. Mas era impossível prever exatamente quando uma dessas explosões ocorreria.
“Essas explosões ocorrem novamente a cada duas horas, mas não é possível prever exatamente quando acontecerão. Então, você tem que observar o sistema por um longo tempo com os telescópios e esperar capturar algumas rajadas”, diz o membro da equipe Jakob van den Eijnden, Universidade de WarwickReino Unido.
As observações de rádio foram realizadas durante três dias com CSIROdo Australia Telescope Compact Array (ATCA), registrando um total de cerca de 30 horas de observação entre 3 e 5 de abril de 2021. Integral observada do espaço. Foi a única missão de alta energia capaz de manter esta longa vigília. Sua órbita grande e alongada significava que ele poderia observar o objeto celeste por muitas horas seguidas. Ao final das observações, o Integral capturou 14 rajadas de raios X de 4U 1728-34, das quais 10 ocorreram quando a fonte estava visível para o ATCA.
Mas houve uma grande surpresa. “Com base no que vimos anteriormente em dados de raios X, pensamos que a explosão destruiria o local onde o jato estava sendo lançado. Mas vimos exatamente o oposto: uma forte contribuição para o jato, em vez de uma perturbação”, afirma Nathalie Degenaar, membro da equipa, da Universidade de Amesterdão, nos Países Baixos.
Claramente, o mecanismo do jato era mais robusto do que se pensava. Ser capaz de seguir a matéria extra injetada pelo jato em comprimentos de onda de rádio permitiu à equipe calcular que o material estava sendo lançado a incríveis 35-40% da velocidade da luz.
“Nunca antes fomos capazes de antecipar e observar diretamente como uma certa quantidade de gás foi canalizada para um jato e acelerada para o espaço”, diz o membro da equipa Erik Kuulkers, cientista do projeto da ESA.
Um novo método para estudar jatos
Tendo agora provado que isto é possível, a técnica permitirá aos astrónomos estudar muito mais estrelas de neutrões com explosão de raios-X. Isto irá ajudá-los a compreender e relacionar o lançamento de jatos com características específicas das estrelas de neutrões, tais como a sua taxa de rotação e a quantidade de gás que cai na sua superfície. Para aqueles que estudam tais fenómenos, estas são as questões prementes. Respondê-las terá impacto nos estudos que vão além das estrelas de nêutrons, porque os jatos são criados por muitos objetos astronômicos.
Desde estrelas recém-formadas até buracos negros supermassivos nos centros das galáxias, os jatos também podem ser produzidos por eventos cataclísmicos, como explosões de supernovas e explosões de raios gama. Desempenham um papel importante em todo o Universo, desde o transporte de elementos exóticos sintetizados em explosões cósmicas para o espaço interestelar, até ao aquecimento das nuvens de gás circundantes que irão alterar como e onde novas estrelas podem formar-se.
Dado que se pensa que todos os jatos astrofísicos são lançados de formas semelhantes, nomeadamente pela interação da matéria com campos magnéticos em objetos celestes em rotação, os novos resultados terão ampla aplicabilidade em muitos estudos do cosmos. “Este resultado abre uma janela completamente nova para a compreensão de como os jatos astrofísicos são alimentados, em estrelas de nêutrons e também em outros objetos astronômicos produtores de jatos”, diz Erik.
Referência: “Explosões termonucleares em estrelas de nêutrons revelam a velocidade de seus jatos” por Thomas D. Russell, Nathalie Degenaar, Jakob van den Eijnden, Thomas Maccarone, Alexandra J. Tetarenko, Celia Sánchez-Fernández, James CA Miller-Jones, Erik Kuulkers e Melania Del Santo, 27 de março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07133-5
