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NICE FORNECE AS MELHORES MEDIÇÕES DE SEMPRE DE UM PULSAR, PRIMEIRO MAPA DA SUPERFÍCIE
17 de dezembro de 2019

 


O NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA instalado na Estação Espacial Internacional.
Crédito: NASA

 

Os astrofísicos estão a redesenhar a imagem académica dos pulsares, os remanescentes densos e rodopiantes de estrelas mortas, graças ao NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA, um telescópio de raios-X a bordo da Estação Espacial Internacional. Usando dados do NICER, os cientistas obtiveram as primeiras medições precisas e confiáveis, tanto do tamanho de um pulsar quanto da sua massa, bem como o primeiro mapa de manchas quentes à sua superfície.

O pulsar em questão, J0030+0451 (ou J0030 para abreviar), fica numa região isolada do espaço a 1100 anos-luz de distância na direção da constelação de Peixes. Ao medir a massa e o tamanho do pulsar, o NICER revelou que as formas e os locais de "manchas quentes" com milhões de graus, à superfície do pulsar, são muito mais estranhas do que se pensava.

"Da sua posição na Estação Espacial, o NICER está a revolucionar a nossa compreensão dos pulsares," disse Paul Hertz, diretor da divisão de astrofísica na sede da NASA em Washington. "Os pulsares foram descobertos há mais de 50 anos como faróis estelares que colapsaram em núcleos densos, comportando-se como nada que vemos na Terra. Com o NICER, podemos investigar a natureza destes remanescentes densos de maneiras que pareciam impossíveis até agora."

Uma série de artigos que analisam as observações de J0030 pelo NICER são o foco de uma edição da revista The Astrophysical Journal Letters e estão disponíveis online.

Quando uma estrela massiva morre, fica sem combustível, colapsa sob o seu próprio peso e explode como uma supernova. Estas mortes estelares podem deixar para trás estrelas de neutrões, que acumulam mais massa do que o nosso Sol numa esfera com o tamanho de uma cidade. Os pulsares, que são uma classe de estrela de neutrões, giram centenas de vezes por segundo e varrem feixes energéticos a cada rotação. J0030 gira 205 vezes por segundo.

Durante décadas, os cientistas tentaram descobrir exatamente como é que os pulsares funcionam. No modelo mais simples, um pulsar possui um poderoso campo magnético em forma de imã. O campo é tão forte que rasga partículas da superfície do pulsar e acelera-as. Algumas partículas seguem o campo magnético e atingem o lado oposto, aquecendo a superfície e criando manchas quentes nos polos magnéticos. Todo o pulsar brilha levemente em raios-X, mas as manchas quentes são mais brilhantes. À medida que o objeto gira, estas manchas entram e saem da nossa vista como feixes de um farol, produzindo variações extremamente regulares no brilho de raios-X do objeto. Mas os novos estudos de J0030 pelo NICER mostram que os pulsares não são tão simples.

Usando observações do NICER de julho de 2017 a dezembro de 2018, dois grupos de cientistas mapearam as manchas quentes de J0030 usando métodos independentes e convergiram em resultados semelhantes para a sua massa e tamanho. Uma equipa liderada por Thomas Riley, estudante de doutoramento em astrofísica computacional, e a sua supervisora Anna Watts, professora de astrofísica da Universidade de Amesterdão, determinaram que o pulsar tem cerca de 1,3 vezes a massa do Sol e 25,4 km de diâmetro. Cole Miller, professor de astronomia na Universidade de Maryland, que liderou a segunda equipa, descobriu que J0030 tem aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol e é um pouco maior, com 26 km de diâmetro.

"Quando começámos a estudar J0030, a nossa compreensão de como simular pulsares estava incompleta, e ainda está," explicou Riley. "Mas graças aos dados detalhados do NICER, a ferramentas de código aberto, a computadores de alto desempenho e ao excelente trabalho em equipa, temos agora uma estrutura para o desenvolvimento de modelos mais realísticos destes objetos."

Um pulsar é tão denso que a sua gravidade distorce o espaço-tempo próximo - o "tecido" do Universo, conforme descrito pela teoria geral da relatividade de Einstein - da mesma maneira que uma bola de bowling num trampolim estica a superfície. O espaço-tempo é tão distorcido que a luz no lado do pulsar voltado na direção oposta à Terra é "dobrada" e redirecionada para nós. Isto faz a estrela parecer maior do que é. O efeito também significa que as manchas quentes nunca podem desaparecer completamente à medida que giram para o lado oposto da estrela. O NICER mede a chegada de cada raio-X de um pulsar a mais de cem nanossegundos, uma precisão cerca de 20 vezes maior do que a disponível anteriormente, para que os cientistas possam tirar vantagem deste efeito pela primeira vez.

"As medições incomparáveis de raios-X do NICER permitiram-nos fazer os cálculos mais precisos e confiáveis do tamanho de um pulsar até ao momento, com uma incerteza inferior a 10%," disse Miller. "Toda a equipa do NICER deu uma contribuição importante à física fundamental que é impossível investigar em laboratórios terrestres."

A perspetiva da Terra observa o hemisfério norte de J0030. Quando as equipas mapearam as formas e posições das manchas de J0030, esperavam encontrar algo parecido à imagem dos pulsares que temos nos livros. Ao invés, os cientistas identificaram até três "manchas" quentes, todas no hemisfério sul.

Riley e colegas correram simulações usando círculos sobrepostos de diferentes tamanhos e temperaturas para recriar os sinais de raios-X. A realização das suas análises no supercomputador nacional holandês Cartesius levou menos de um mês - mas seriam necessários cerca de 10 anos num computador normal. A sua solução identifica duas manchas quentes, uma pequena e circular e a outra longa e em forma de crescente.

O grupo de Miller realizou simulações semelhantes, mas com ovais de diferentes tamanhos e temperaturas, no supercomputador Deepthough2 da Universidade de Maryland. Encontraram duas configurações possíveis e igualmente prováveis de manchas. Uma tinha duas ovais que se assemelham ao padrão encontrado pela equipa de Riley. A segunda solução acrescenta uma terceira mancha, mais fria, ligeiramente ao lado do polo rotacional sul do pulsar.

As previsões teóricas anteriores sugeriam que as localizações e formas das manchas quentes podiam variar, mas os estudos de J0030 são os primeiros a mapear estas características à superfície. Os cientistas ainda estão a tentar determinar a razão da organização e forma das manchas de J0030, mas, por enquanto, está claro que os campos magnéticos dos pulsares são mais complicados do que o modelo tradicional de dois polos.

O principal objetivo científico do NICER é determinar com precisão as massas e tamanhos de vários pulsares. Com esta informação os cientistas serão finalmente capazes de decifrar o estado de matéria nos núcleos das estrelas de neutrões, matéria esmagada por tremendas pressões e densidades que não pode ser replicada na Terra.

"É notável, e também muito reconfortante, que as duas equipas tenham atingido semelhantes tamanhos, massas e padrões de manchas quentes em J0030 usando diferentes abordagens de modelagem," disse Zaven Arzoumanian, líder científico do NICER no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland, EUA. "Diz-nos que o NICER está no caminho certo para ajudar a responder a uma pergunta duradoura na astrofísica: que forma assume a matéria nos núcleos ultradensos das estrelas de neutrões?"

 


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Simulação de uma possível configuração de um campo magnético quadripolar para um pulsar com manchas quentes somente no hemisfério sul.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA


// NASA (comunicado de imprensa)
// Edição especial da revista The Astrophysical Journal Letters
// Artigo científico #1 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)
// Artigo científico #3 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #3 (arXiv.org)
// Artigo científico #4 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #4 (arXiv.org)
// Artigo científico #5 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #5 (arXiv.org)
// Artigo científico #6 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #6 (arXiv.org)
// Artigo científico #7 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #7 (arXiv.org)
// Nicer da NASA revela o primeiro mapa da superfície de um pulsar (NASA Goddard via YouTube)

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