Estrela de neutrões reclusa pode ter sido encontrada em famosa supernova

ESTRELA DE NEUTRÕES RECLUSA PODE TER SIDO ENCONTRADA EM FAMOSA SUPERNOVA
26 de fevereiro de 2021

Dados do Chandra e do NuSTAR fornecem evidências para a existência de uma estrutura conhecida como "nebulosa de vento de pulsar" no centro da Supernova 1987A (SN 1987A). Uma nebulosa de vento de pulsar é uma nuvem de partículas carregadas e campos magnéticos criada por uma estrela de neutrões com rotação veloz. Se confirmada, será o culminar de uma investigação com décadas para encontrar o núcleo denso deixado para trás quando a estrela massiva colapsou e depois explodiu. Este evento de supernova foi descoberto no dia 24 de fevereiro de 1987, o primeiro capturado na época dos telescópios.
Crédito: raios-X do Chandra - NASA/CXC/Univ. di Palermo/E. Greco; ilustração: INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo/Salvatore Orlando

Desde que os astrónomos capturaram a explosão brilhante de uma estrela no dia 24 de fevereiro de 1987, que os investigadores têm procurado o núcleo estelar esmagado que deveria ter sido deixado para trás. Um grupo de astrónomos, usando dados de missões espaciais da NASA e telescópios terrestres, pode finalmente tê-lo encontrado.

Como a primeira supernova visível a olho nu em aproximadamente 400 anos, a Supernova 1987A (ou SN 1987 para abreviar) gerou grande entusiasmo entre os cientistas e rapidamente se tornou um dos objetos mais estudados do céu. A supernova está localizada na Grande Nuvem de Magalhães, uma pequena galáxia companheira da nossa própria Via Láctea, a apenas 170.000 anos-luz da Terra.

Enquanto os astrónomos assistiam à explosão de detritos para fora do local de detonação, também procuravam o que deveria ter permanecido do núcleo da estrela: uma estrela de neutrões.

Dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e dados anteriormente não publicados do NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) da NASA, em combinação com dados do ALMA (Atacama Large Millimeter Array) relatados no ano passado, agora apresentam uma coleção intrigante de evidências para a presença da estrela de neutrões no centro de SN 1987A.

"Durante 34 anos, os astrónomos têm vasculhado os detritos estelares de SN 1987A para encontrar a estrela de neutrões que esperamos lá estar," disse o líder do estudo, Emanuele Greco, da Universidade de Palermo, na Itália. "Tem havido muitas dicas que acabaram por ser becos sem saída, mas achamos que os nossos resultados mais recentes podem ser diferentes."

Quando uma estrela explode, colapsa sobre si própria antes que as camadas externas sejam lançadas para o espaço. A compressão do núcleo torna-o um objeto extraordinariamente denso, com a massa do Sol comprimida num objeto com aproximadamente 16 km de diâmetro. Estes objetos foram apelidados de estrelas de neutrões, porque são compostos quase exclusivamente por neutrões densamente compactados. São laboratórios de física extrema que não podem ser replicados cá na Terra.

As estrelas de neutrões com rápida rotação e altamente magnetizadas, chamadas pulsares, produzem um feixe de radiação semelhante a um farol que os astrónomos detetam como pulsos quando a sua rotação varre o feixe pelo céu. Existe um subconjunto de pulsares que produzem ventos das suas superfícies - às vezes quase à velocidade da luz – e que criam estruturas intricadas de partículas carregadas e campos magnéticos conhecidos como "nebulosas de vento pulsar".

Com o Chandra e o NuSTAR, a equipa encontrou raios-X de energia relativamente baixa dos detritos de SN 1987A colidindo com o material circundante. A equipa também encontrou evidências de partículas altamente energéticas usando a capacidade do NuSTAR em detetar raios-X mais energéticos.

Existem duas explicações prováveis para esta emissão energética de raios-X: ou uma nebulosa de vento de pulsar ou partículas sendo aceleradas a altas energias pela onda de choque da explosão. O último efeito não requer a presença de um pulsar e ocorre a distâncias muito maiores do centro da explosão.

O estudo mais recente de raios-X apoia o caso da nebulosa de vento de pulsar - o que significa que a estrela de neutrões deve estar lá - argumentando em algumas frentes contra o cenário de aceleração da onda de choque. Primeiro, o brilho dos raios-X mais energéticos permaneceu quase o mesmo entre 2012 e 2014, enquanto a emissão de rádio detetada com o ATCA (Australia Telescope Compact Array) aumentou. Isto vai contra as expetativas para o cenário de onda de choque. Em seguida, os autores estimam que levaria quase 400 anos para acelerar os eletrões até às energias mais altas vistas nos dados do NuSTAR, período de tempo mais de 10 vezes superior à idade do remanescente.

"Os astrónomos perguntam-se se ainda não passou tempo suficiente para a formação de um pulsar, ou mesmo se SN 1987A criou um buraco negro," disse o coautor Marco Miceli, também da Universidade de Palermo. "Este tem sido um mistério contínuo durante algumas décadas e estamos muito animados por trazer novas informações para a mesa com este resultado."

Os dados do Chandra e do NuSTAR também apoiam um resultado de 2020 do ALMA que forneceu possíveis evidências para a estrutura de uma nebulosa de vento de pulsar na faixa de comprimentos de onda milimétricos. Embora esta "bolha" tenha outras potenciais explicações, a sua identificação como uma nebulosa de vento de pulsar poderia ser comprovada com os novos dados de raios-X. Esta é mais uma evidência que apoia a ideia de que existe uma estrela de neutrões deixada para trás.

Se isto for realmente um pulsar no centro de SN 1987A, será o mais jovem já encontrado.

"Ser capaz de assistir a um pulsar essencialmente desde o seu nascimento seria sem precedentes," disse o coautor Salvatore Orlando do Observatório Astronómico de Palermo, uma instalação do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) na Itália. "Pode ser uma oportunidade única na nossa vida de estudar o desenvolvimento de um pulsar bebé."

O centro de SN 1987A está rodeado por gás e poeira. Os autores usaram simulações de última geração para entender como este material absorveria os raios-X em diferentes energias, permitindo uma interpretação mais precisa do espectro de raios-X, ou seja, a quantidade de raios-X em diferentes energias. Isto permite-lhes estimar o aspeto do espectro das regiões centrais de SN 1987A sem o material obscurante.

Como geralmente acontece, são necessários mais dados para fortalecer o caso da nebulosa de vento de pulsar. Um aumento nas ondas de rádio, acompanhado por um aumento nos raios-X altamente energéticos em observações futuras seria um argumento contra esta ideia. Por outro lado, se os astrónomos observarem uma diminuição nos raios-X altamente energéticos, então a presença de uma nebulosa de vento de pulsar será corroborada.

Os fragmentos estelares em redor do pulsar desempenham um papel importante, absorvendo fortemente a sua emissão de raios-X de baixa energia, tornando-os atualmente indetetáveis. O modelo prevê que este material se disperse nos próximos anos, o que reduzirá o seu poder de absorção. Assim, a emissão do pulsar deverá surgir daqui a mais ou menos 10 anos, revelando a existência da estrela de neutrões.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista The Astrophysical Journal e uma pré-impressão está disponível online. Os outros autores do artigo são Barbara Olmi e Fabrizio Bocchino, também do INAF-Palermo; Shigehiro Nagataki e Masaomi Ono do Observatório Astrofísico Big Bang do RIKEN, no Japão; Akira Dohi da Universidade de Kyushu, também no Japão, e Giovanni Peres da Universidade de Palermo.