727: IXPE descobre poderosos campos magnéticos e crosta sólida numa estrela de neutrões

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Foto que mostra a posição do magnetar 4U 0142+61 no Universo (ver vídeo para maior contexto). O magnetar é uma estrela de neutrões localizada na direcção da constelação de Cassiopeia, a cerca de 13.000 anos-luz da Terra.
Crédito: Roberto Taverna

Menos de um ano após o lançamento, as observações de uma estrela de neutrões pelo IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) da NASA levaram à confirmação do que os cientistas apenas teorizaram anteriormente: os magnetares têm campos magnéticos ultra-fortes e são altamente polarizados.

Os cientistas utilizaram o IXPE para observar o magnetar 4U 0142+61, uma estrela de neutrões localizada na direcção da constelação de Cassiopeia, a cerca de 13.000 anos-luz da Terra.

Esta é a primeira observação de sempre da polarização de raios-X de um magnetar, uma estrela de neutrões com os campos magnéticos mais poderosos do Universo.

Os astrónomos descobriram que a estrela de neutrões provavelmente tem uma superfície sólida e nenhuma atmosfera. Esta é a primeira vez que os cientistas conseguem concluir com fiabilidade que uma estrela de neutrões tem uma crosta sólida, uma descoberta possibilitada pelas medições de polarização de raios-X do IXPE.

A polarização é uma propriedade da luz que nos diz mais sobre os campos eléctricos e magnéticos interligados que compõem todos os comprimentos de onda da luz.

Estes campos oscilam, ou vibram, em ângulos rectos em relação à trajectória da luz. Quando os seus campos eléctricos vibram numa direcção única e unificada, dizemos que a luz é polarizada.

Os astrónomos também descobriram que o ângulo de polarização depende da energia das partículas de luz, com luz altamente energética a um ângulo de polarização de 90 graus em comparação com luz menos energética.

“Descobrimos que o ângulo de polarização gira exactamente 90 graus, seguindo o que os modelos teóricos previam se a estrela tivesse uma crosta sólida rodeada por uma magnetosfera externa cheia de correntes eléctricas”, disse Roberto Taverna, da Universidade de Pádua, autor principal do novo estudo publicado na revista Science.

Os cientistas ficaram surpreendidos ao aprender que os níveis de energia podem afectar a polarização.

“Com base nas teorias actuais dos magnetares, esperávamos detectar a polarização, mas ninguém previu que a polarização dependesse da energia, como estamos a ver neste magnetar”, disse Martin Weisskopf, cientista emérito da NASA que liderou a equipa IXPE desde o início da missão até à primavera de 2022.

Além disso, a polarização a baixas energias indica que o campo magnético é tão inimaginavelmente poderoso que poderia ter transformado a atmosfera em torno da estrela de neutrões num sólido ou num líquido.

“Este é um fenómeno conhecido como condensação magnética”, disse o presidente do grupo de trabalho sobre o tema dos magnetares para o IXPE, Roberto Turolla, da Universidade de Pádua e do Colégio Universitário de Londres.

É ainda um tema de debate se os magnetares e outras estrelas de neutrões têm atmosferas.

Graças às medições de polarização por raios-X, os astrofísicos são agora capazes de verificar o grau de polarização e o seu ângulo de posição ao testar os parâmetros dos modelos de emissão de raios-X.

Os resultados das observações do IXPE vão ajudar os astrónomos de raios-X a compreender melhor a física de objectos extremos como magnetares e buracos negros.

“Além do magnetar 4U 0142+61, o IXPE está a ser utilizado para estudar uma vasta gama de fontes de raios-X extremos, e estão a chegar muitos resultados excitantes”, disse Fabio Muleri, cientista do projecto italiano do IXPE no INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) em Roma.

Para Weisskopf, é evidente que as observações do IXPE têm sido críticas.

“Na minha mente, não pode haver dúvidas de que o IXPE demonstrou que a polarimetria de raios-X é importante e relevante para promover a nossa compreensão de como estes fascinantes sistemas de raios-X funcionam”, disse. “As futuras missões terão de ter esse facto em mente”.

O IXPE baseia-se nas descobertas do Observatório de raios-X Chandra da NASA e de outros telescópios espaciais através da medição da polarização da luz de raios-X.

Astronomia On-line
15 de Novembro de 2022



 

506: Há uma “estrela estranha” cuja origem está a inquietar os cientistas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

NASA/CXC/U. Texas

A estrela de neutrões em causa está no centro de um remanescente de super-nova chamado HESS J1731-347.

Um objecto relativamente pequeno e denso, camuflado dentro de uma nuvem própria explodida, encontra-se a apenas alguns milhares de anos-luz de distância, desafiando a compreensão dos cientistas no que respeita física estelar.

Os vários relatos parecem sugerir que se trata de uma estrela de neutrões, embora seja uma estrela invulgar. Com apenas 77% da massa do Sol, é a massa mais baixa alguma vez medida para um objecto da sua espécie.

Anteriormente, a estrela de neutrões mais leve alguma vez medida era 1,17 vezes a massa do Sol.

Esta descoberta mais recente não é apenas menor, é significativamente inferior à massa mínima da estrela de neutrões prevista pela teoria. Isto sugere ou que existe alguma falha na nossa compreensão destes objectos ultra-densos… ou o que estamos a ver não é de todo uma estrela de neutrões, mas um objecto peculiar, nunca antes visto, conhecido como uma estrela “estranha”.

As estrelas de neutrões estão entre os objectos mais densos de todo o Universo. São o que resta após uma estrela maciça entre cerca de 8 e 30 vezes a massa do Sol ter chegado ao fim da sua vida.

Quando a estrela fica sem material para se fundir no seu núcleo, vai para a super-nova, ejectando as suas camadas exteriores de material para o Espaço, relata o Science Alert.

Já não apoiado pela pressão externa da fusão, o núcleo colapsa em si mesmo para formar um objecto tão denso, os núcleos atómicos esmagam-se juntos e os electrões são forçados a conviver proximamente com protões por tempo suficiente para se transformarem em neutrões.

A maioria destes objectos compactos são cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, embora a teoria diga que poderiam variar desde algo tão maciço como cerca de 2,3 massas solares, até apenas 1,1 massas solares.

Tudo isto embalado dentro de uma esfera apenas 20 quilómetros de largura, fazendo com que cada colher de chá cheia de material estelar de neutrões pese entre 10 milhões e vários biliões de toneladas.

Estrelas com massas superiores e inferiores às estrelas de neutrões podem também transformar-se em objectos densos. Estrelas mais pesadas transformam-se em buracos negros.

Estrelas mais leves transformam-se em anãs brancas – menos densas do que as estrelas de neutrões, com um limite de massa superior de 1,4 massas solares, embora ainda bastante compactas. Este é o destino final do nosso próprio Sol.

A estrela de neutrões em causa está no centro de um remanescente de super-nova chamado HESS J1731-347, que tinha sido previamente calculado para se sentar a mais de 10.000 anos-luz de distância.

Uma das dificuldades no estudo das estrelas de neutrões reside, no entanto, em medições de distância mal condicionadas. Sem uma distância precisa, é difícil obter medições precisas das outras características de uma estrela.

Recentemente, uma segunda estrela, opticamente brilhante, foi descoberta à espreita no HESS J1731-347. A partir disto, utilizando dados do levantamento cartográfico de Gaia, uma equipa de astrónomos liderada por Victor Doroshenko da Universidade Eberhard Karls de Tübingen, na Alemanha, conseguiu recalcular a distância ao HESS J1731-347, e descobriu que está muito mais perto do que se pensava, a cerca de 8.150 anos-luz de distância.

Isto significa que as estimativas anteriores das outras características da estrela de neutrões precisavam de ser refinadas, incluindo a sua massa. Combinado com observações da luz de raios X emitida pela estrela de neutrões (inconsistente com a radiação X de uma anã branca),

Doroshenko e os seus colegas conseguiram refinar o seu raio para 10,4 quilómetros, e a sua massa para uma massa solar absolutamente baixa de 0,77 massas solares.

Isto significa que pode não ser de facto uma estrela de neutrões como a conhecemos, mas um objecto hipotético ainda não identificado positivamente na natureza.

“A nossa estimativa de massa torna o objecto central compacto em HESS J1731-347 a estrela de neutrões mais leve conhecida até à data, e potencialmente um objecto mais exótico – ou seja, um candidato a estrela ‘estranha‘”, escrevem os investigadores no seu artigo.

Segundo a teoria, uma estranha estrela parece-se muito com uma estrela de neutrões, mas contém uma maior proporção de partículas fundamentais chamadas quarks estranhos. Os quarks são partículas subatómicas fundamentais que se combinam para formar partículas compostas, tais como prótons e neutrões.

Os quarks vêm em seis tipos diferentes, ou sabores, chamados de up, down, charme, strange, top, e bottom. Os prótons e os neutrões são compostos por quarks para cima e para baixo.

A teoria sugere que, no ambiente extremamente comprimido dentro de uma estrela de neutrões, as partículas subatómicas decompõem-se nos seus quarks constituintes.

Sob este modelo, estranhas estrelas são feitas de matéria que consiste em proporções iguais de quarks para cima, para baixo, e estranhos.

Estrelas estranhas devem formar-se sob massas suficientemente grandes para realmente se apertarem, mas como o livro de regras para estrelas de neutrões sai pela janela quando se envolvem quarks suficientes, também não há essencialmente nenhum limite inferior. O que significa que não podemos descartar a possibilidade de esta estrela de neutrões ser, de facto, uma estrela estranha.

“Os constrangimentos na massa e raio são ainda totalmente consistentes com uma interpretação padrão de estrela de neutrões e podem ser utilizados para melhorar os constrangimentos astrofísicos na equação do estado da matéria densa fria sob esta suposição”, escrevem os investigadores.

“Uma tal estrela de neutrões leves, independentemente da composição interna assumida, parece ser um objecto muito intrigante de uma perspectiva astrofísica”.

  ZAP //
28 Outubro, 2022



 

Olhando para dentro de uma estrela de neutrões – novo modelo vai melhorar as informações recolhidas das ondas gravitacionais

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA

Uma fusão entre duas estrelas de neutrões.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/Laboratório CI

As oscilações nas estrelas de neutrões binárias, antes de se fundirem, podem ter grandes implicações para as informações que os cientistas recolhem a partir da detecção de ondas gravitacionais.

Investigadores da Universidade de Birmingham demonstraram a forma como estas vibrações únicas, provocadas pelas interacções entre os campos de maré das duas estrelas à medida que se aproximam, afectam as observações das ondas gravitacionais. O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

A tomada em consideração destes movimentos poderá fazer uma enorme diferença na nossa compreensão dos dados obtidos pelos instrumentos Advanced LIGO e Virgo, construídos para detectar ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – produzidas pela fusão de buracos negros e estrelas de neutrões.

Os investigadores pretendem ter um novo modelo pronto para a próxima campanha de observação do Advanced Ligo e modelos ainda mais avançados para a próxima geração de instrumentos do Advanced Ligo, chamada A+, que deverão começar a sua primeira campanha de observação em 2025.

Desde que as primeiras ondas gravitacionais foram detectadas pela Colaboração Científica LIGO e pela Colaboração Virgo em 2016, os cientistas têm-se concentrado em fazer avançar a sua compreensão das colisões massivas que produzem estes sinais, incluindo a física de uma estrela de neutrões a densidades supra nucleares.

O Dr. Geraint Pratten, do Instituto de Astronomia de Ondas Gravitacionais da Universidade de Birmingham, é o autor principal do artigo. Ele disse: “Os cientistas conseguem agora obter muitas informações cruciais sobre as estrelas de neutrões a partir das últimas detecções de ondas gravitacionais.

Detalhes como a relação entre a massa da estrela e o seu raio, por exemplo, fornecem uma visão crucial da física fundamental por detrás das estrelas de neutrões. Se negligenciarmos estes efeitos adicionais, a nossa compreensão da estrutura das estrelas de neutrões como um todo pode tornar-se profundamente enviesada”.

A Dra. Patricia Schmidt, co-autor do artigo e professora associada no mesmo instituto, acrescentou: “Estes aperfeiçoamentos são realmente importantes. Dentro de estrelas de neutrões individuais podemos começar a compreender o que se passa no interior do núcleo da estrela, onde a matéria existe a temperaturas e densidades que não podemos replicar em experiências laboratoriais.

A este ponto, podemos começar a ver átomos a interagir uns com os outros de formas que ainda não vimos – o que pode exigir novas leis da física”.

Os aperfeiçoamentos concebidos pela equipa representam a última contribuição da Universidade de Birmingham para o programa Advanced LIGO. Os investigadores têm estado profundamente envolvidos na concepção e desenvolvimento dos detectores desde as primeiras fases do programa.

Olhando para o futuro, a estudante de doutoramento Natalie Williams já está a progredir no trabalho de cálculos para refinar e calibrar ainda mais os novos modelos.

Astronomia On-line
23 de Agosto de 2022

29: Fusão explosiva capturada pela primeira vez em comprimentos de onda milimétricos

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Pela primeira vez na radioastronomia, os cientistas detectaram radiação, em comprimentos de onda milimétricos, de uma explosão de raios-gama de curta duração. Esta impressão de artista mostra a fusão entre uma estrela de neutrões e outra estrela (vista como um disco, na parte inferior esquerda) que causou um surto resultando na explosão de raios-gama de curta duração, GRB 211106A (jacto branco, meio), e deixou para trás o que os cientistas agora sabem ser um dos brilhos remanescentes mais luminosos alguma vez registados (onda de choque semi-esférica no meio, à direita). Enquanto a poeira na galáxia hospedeira obscurecia a maior parte da luz visível (mostrada como cores), a radiação milimétrica do evento (representada a verde) foi capaz de escapar e alcançar o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), dando aos cientistas uma visão sem precedentes desta explosão cósmica. Do estudo, a equipa confirmou que GRB 211106A é um dos GRBs de curta duração mais energéticos jamais observados. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)

Recorrendo ao ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os cientistas registaram pela primeira vez radiação milimétrica proveniente de uma explosão provocada pela fusão de uma estrela de neutrões com outra estrela.

A equipa também confirmou este flash de luz como uma das explosões de raios-gama de curta duração mais energéticas alguma vez observadas, deixando para trás dos brilhos remanescentes ultravioleta mais luminosos alguma vez registados. Os resultados da investigação serão publicados numa edição futura da revista The Astrophysical Journal Letters.

“As explosões de raios-gama (“gamma-ray burst”, ou GRB) são as explosões mais brilhantes e energéticas do Universo, capazes de emitir mais energia numa questão de segundos do que o nosso Sol emitirá durante toda a sua vida.

GRB 211106A pertence a uma subclasse de GRBs conhecida como explosões de raios-gama de curta duração. Estas explosões – que os cientistas pensam serem responsáveis pela criação dos elementos mais pesados do Universo, como a platina e o ouro – resultam da fusão catastrófica de sistemas binários contendo uma estrela de neutrões.

“Estas fusões ocorrem devido à radiação de ondas gravitacionais, que removem energia da órbita das estrelas binárias, fazendo com que as estrelas espiralem uma em direcção à outra”, disse Tanmoy Laskar, que em breve começará a trabalhar como professor assistente de Física e Astronomia na Universidade do Utah, EUA.

“A explosão resultante é acompanhada por jactos que se movem a uma velocidade próxima da velocidade da luz. Quando um destes jactos aponta na direcção da Terra, observamos um curto pulso de raios-gama ou um GRB de curta duração”.

Um GRB de curta duração geralmente dura apenas alguns décimos de segundo. Os cientistas procuram então um brilho remanescente, uma emissão de radiação provocada pela interacção dos jactos com o gás circundante.

Mesmo assim, são difíceis de detectar; apenas meia-dúzia de GRBs de curta duração foram detectados no rádio, e até agora nenhum tinha sido detectado em comprimentos de onda milimétricos. Laskar, que liderou a investigação enquanto bolseiro na Universidade de Radboud, Holanda, disse que a dificuldade está na imensa distância aos GRBs e nas capacidades tecnológicas dos telescópios.

“Os brilhos remanescentes dos GRBs de curta duração são muito luminosos e energéticos. Mas estas explosões ocorrem em galáxias distantes, o que significa que a luz delas proveniente pode ser bastante ténue para os nossos telescópios na Terra. Antes do ALMA, os telescópios milimétricos não eram suficientemente sensíveis para a detecção destes brilhos remanescentes”.

Tendo ocorrido quando o Universo tinha apenas 40% da sua idade actual, GRB 211106A não é excepção. A luz desta explosão de raios-gama de curta duração foi tão fraca que, apesar das primeiras observações de raios-X com o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA registarem a explosão, a galáxia hospedeira era indetectável naquele comprimento de onda e os cientistas não foram capazes de determinar exactamente a origem da explosão. “O brilho remanescente é essencial para descobrir de que galáxia vem uma explosão e para aprender mais sobre a própria explosão.

Inicialmente, quando apenas a contraparte dos raios-X tinha sido descoberta, os astrónomos pensaram que esta explosão poderia estar a vir de uma galáxia próxima”, disse Laskar, acrescentando que uma quantidade significativa de poeira na área também obscurecia o objecto da detecção em observações ópticas com o Telescópio Espacial Hubble.

Cada comprimento de onda acrescentou uma nova dimensão à compreensão dos cientistas deste GRB, e o milímetro, em particular, foi fundamental para desvendar a verdade sobre a explosão. “As observações do Hubble revelaram um campo imutável de galáxias.

A sensibilidade inigualável do ALMA permitiu-nos identificar com mais precisão a localização do GRB nesse campo e acabou por ter origem noutra galáxia ténue, que se encontra mais longe. Isto, por sua vez, significa que esta explosão de raios-gama de curta duração é ainda mais poderosa do que pensávamos inicialmente, tornando-a uma das mais luminosas e energéticas de que há registo”, disse Laskar.

Wen-fai Fong, professora assistente de Física e Astronomia na Universidade Northwestern, acrescentou: “Esta curta explosão de raios-gama foi a primeira vez que tentámos observar um evento deste tipo com o ALMA. Os brilhos remanescentes de GRBs de curta duração são muito difíceis de conseguir, por isso foi espectacular apanhar este evento tão brilhante.

Após muitos anos a observar estas explosões, esta descoberta surpreendente abre uma nova área de estudo, uma vez que nos motiva a observar muitos mais com o ALMA e com outros telescópios, no futuro”.

Joe Pesce, oficial da NSF (National Science Foundation) para o programa NRAO/ALMA, disse: “Estas observações são fantásticas a muitos níveis. Fornecem mais informação para nos ajudar a compreender as enigmáticas explosões de raios-gama (e a astrofísica das estrelas de neutrões em geral) e demonstram quão importantes e complementares as observações multi-comprimento de onda com telescópios espaciais e no solo são, na compreensão dos fenómenos astrofísicos”.

E há ainda muito trabalho a ser feito em vários comprimentos de onda, tanto com novos GRBs e com GRB 211106A, o que poderá revelar surpresas adicionais sobre estas explosões. “O estudo dos GRBs de curta duração requer a rápida coordenação de telescópios em todo o mundo e no espaço, operando em todos os comprimentos de onda”, disse Edo Berger, professor de Astronomia na Universidade de Harvard.

“No caso de GRB 211106A, utilizámos alguns dos telescópios mais poderosos disponíveis – o ALMA, o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF, o Observatório de raios-X Chandra da NASA e o Telescópio Espacial Hubble.

Com o agora operacional Telescópio Espacial James Webb, e futuros telescópios ópticos e radiotelescópios de 20-40 metros, tais como o ngVLA (next generation VLA), seremos capazes de produzir uma imagem completa destes eventos cataclísmicos e de os estudar a distâncias sem precedentes”.

Laskar acrescentou: “Com o JWST, podemos agora obter um espectro da galáxia hospedeira e conhecer facilmente a distância e, no futuro, também podemos utilizar o JWST para capturar os brilhos remanescentes infravermelhos e estudar a sua composição.

Com o ngVLA, seremos capazes de estudar a estrutura geométrica dos brilhos remanescentes e o combustível de formação estelar encontrado nos seus ambientes hospedeiros com um detalhe sem precedentes. Estou entusiasmado com estas próximas descobertas no nosso campo”.

Astronomia On-line
9 de Agosto de 2022