MAPA DE EMISSÃO PULSAR GRAÇAS A EINSTEIN 10 de setembro de 2019
PSR J1906+0746: o efeito relativístico da precessão da rotação de um pulsar permite a resolução da estrutura de feixo do pulsar.
Crédito: Gregory Desvignes & Michael Kramer, MPIfR
Os pulsares em sistemas binários são afetados por efeitos relativísticos, fazendo com que os eixos de rotação de cada pulsar mudem de direção com o tempo. Uma equipa liderada por Gregory Desvignes do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, Alemanha, usou observações de rádio da fonte PSR J1906+0746 para reconstruir a emissão polarizada acima do polo magnético do pulsar e para prever o desaparecimento da emissão detetável até 2028. As observações deste sistema confirmam a validade de um modelo com 50 anos que relaciona a radiação do pulsar com a sua geometria. Os investigadores também são capazes de medir com precisão o ritmo de mudança na direção da rotação e encontraram que está de excelente acordo com as previsões da teoria geral da relatividade de Einstein.
A experiência é o teste mais desafiador, até à data, deste importante efeito de precessão relativista da rotação para corpos com gravidades fortes. Além disso, o formato do feixe de rádio reconstruído tem implicações para a população de estrelas de neutrões e para a taxa esperada de fusões de estrelas de neutrões, conforme observado por detetores de ondas gravitacionais como o LIGO.
Os resultados foram publicados na edição de 6 de setembro da revista Science.
Os pulsares são estrelas de neutrões com rápida rotação que concentram 40% mais massa do que o Sol - ou mais! - numa pequena esfera com apenas aproximadamente 20 km de diâmetro. Têm campos magnéticos extremamente fortes e emitem um feixe de ondas de rádio ao longo dos seus eixos magnéticos acima de cada um dos seus polos magnéticos. Devido à sua rotação estável, um efeito de farol produz sinais pulsados que chegam à Terra com a precisão de um relógio atómico. A grande massa, a compacidade da fonte e as propriedades tipo-relógio permitem que os astrónomos os usem como laboratórios para testar a teoria geral da relatividade de Einstein.
A teoria prevê que o espaço-tempo é curvado por corpos massivos como pulsares. Uma consequência esperada é o efeito da precessão relativista da rotação em pulsares binários. O efeito surge de um desalinhamento do vetor de rotação de cada pulsar em relação ao vetor de momento angular do sistema binário e é provavelmente causado por uma explosão de supernova assimétrica. Esta precessão faz com que a geometria da visão varie, o que pode ser testado observacionalmente, monitorizando alterações sistemáticas no perfil de pulso observado.
Foram observadas evidências de um perfil de pulso variável atribuído a mudanças na geometria de visão, mudanças estas provocadas pela precessão da rotação, no pulsar binário Hulse-Taylor (B1913+16). Outros pulsares binários também mostram o efeito, mas nenhum deles permitiu estudos com a precisão e com o nível de detalhe obtidos com PSR J1906+0746.
O alvo é um jovem pulsar com um período de rotação de 144 milissegundos numa órbita de 4 horas em torno de outra estrela de neutrões na direção da constelação de Águia, bem perto do plano da nossa Galáxia, a Via Láctea.
"PSR J1906+0746 é um laboratório único no qual podemos restringir simultaneamente a física das emissões de rádio pulsar e testar a teoria geral da relatividade de Einstein," diz Gregory Desvignes do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, o autor principal do estudo.
A equipa de investigação monitorizou o pulsar de 2012 a 2018 com o radiotelescópio Arecibo de 305 metros a uma frequência de 1,4 GHz. Essas observações foram complementadas com dados de arquivo dos radiotelescópios Nançay e de Arecibo registados entre 2005 e 2009. No total, o conjunto de dados disponível compreende 47 épocas, que vão de julho de 2005 a junho de 2018.
A equipa percebeu que inicialmente era possível observar os polos magnéticos opostos do pulsar, quando os feixes "norte" e "sul" (referidos como "pulso principal" e "interpulso" no estudo) eram apontados para a Terra uma vez por rotação. Com o tempo, o feixe norte desapareceu e só o sul permaneceu visível. Com base num estudo detalhado das informações de polarização da emissão recebida, foi possível aplicar um modelo de 50 anos, prevendo que as propriedades de polarização codificavam informações sobre a geometria do pulsar. Os dados do pulsar validaram o modelo e também permitiram à equipa medir o ritmo de precessão com apenas 5% de nível de incerteza, inferior à medição do ritmo de precessão no sistema do Duplo Pulsar, até agora um sistema de referência para testes do género. O valor medido está perfeitamente de acordo com a previsão da teoria de Einstein.
"Os pulsares podem fornecer testes de gravidade que não podem ser feitos de nenhuma outra maneira," acrescenta Ingrid Stairs da Universidade da Colúmbia Britânica, em Vancouver, coautora do estudo. "Este é mais um esplêndido exemplo de tal teste."
Além disso, a equipa pode prever o desaparecimento e o reaparecimento de ambos os feixes norte e sul de PSR J1906+0746. O feixe sul desaparecerá da linha de visão por volta de 2028 e reaparecerá entre 2070 e 2090. O feixe norte deverá reaparecer algures entre 2085 e 2105.
A experiência de 14 anos também forneceu informações interessantes sobre o funcionamento pouco compreendido dos próprios pulsares. A equipa percebeu que a nossa linha de visão da Terra havia cruzado o polo magnético na direção norte-sul, permitindo não apenas um mapa do feixe pulsar, mas também um estudo das condições de emissão de rádio logo acima do polo magnético.
"É muito gratificante que, após várias décadas, a nossa linha de visão esteja a atravessar pela primeira vez o polo magnético de um pulsar, demonstrando a validade de um modelo proposto em 1969," explica Kejia Lee do Instituto Kavli para Astronomia e Astrofísica da Universidade de Pequim, China, outro coautor do artigo. "Em contraste, o formato do feixe é muito irregular e inesperado."
O mapa do feixe revela a verdadeira extensão do feixe pulsar, que determina a porção do céu iluminada pelo feixe. Este parâmetro afeta o número previsto da população galáctica de estrelas de neutrões binárias da Galáxia e, portanto, a taxa esperada de deteção de ondas gravitacionais para fusões de estrelas de neutrões.
"A experiência levou muito tempo para ser concluída," conclui Michael Kramer, diretor e chefe do departamento de investigação de "Física Fundamental em Radioastronomia" do Instituto Max Planck. "Atualmente, e infelizmente, os resultados precisam de ser rápidos, ao passo que este pulsar nos ensina muito. Ser paciente e diligente realmente valeu a pena."
