Super-Pulsar em Messier 82

M82X2

Uma equipa de astrónomos que tentava observar raios X de alta energia provenientes da supernova SN2014J, na galáxia Messier 82, descobriu um pulsar — uma estrela de neutrões que emite feixes de radiação, como um farol — com uma luminosidade 10 milhões de vezes superior ao Sol. A descoberta foi publicada na revista Nature.

As fontes mais energéticas de raios X nas galáxias são sistemas binários formados por uma estrela normal que é canibalizada por uma estrela de neutrões ou por um buraco negro. O material da estrela não cai directamente na estrela de neutrões ou no buracos negro, mas forma um disco de acreção, como a água forma uma espiral quando cai num ralo. Os raios X são emitidos pelo material aquecido a temperaturas de milhões de Kelvin e acelerado a velocidades próximas da da luz enquanto cai no campo gravitacional intenso destes objectos exóticos.

As estrelas de neutrões e os buracos negros resultam do colapso gravitacional de estrelas maciças que anteriormente existiam nesses sistemas binários. As estrelas de neutrões têm uma massa limite de cerca de 3 massas solares. Os buracos negros formados pelo processo acima referido têm entre 5 e 30 massas solares. Desde os anos 80 do século XX que os astrónomos detectaram fontes de raios X ultra-luminosas (Ultraluminous X-ray Source ou ULX) em várias galáxias próximas da Via Láctea como Messier 82 e Messier 101. Até à data, a teoria mais aceite para explicar esta luminosidade anormal envolve a existência de buracos negros de massa intermédia, com dezenas ou centenas de massas solares, objectos que até agora não tinham sido detectados.

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[As fontes mais energéticas de raios X nas galáxias são sistemas binários formados por uma estrela normal que é canibalizada por uma estrela de neutrões ou por um buraco negro. As estrelas de neutrões e os buracos negros resultam do colapso gravitacional de estrelas maciças que anteriormente existiam nesses sistemas binários. As estrelas de neutrões têm uma massa limite de cerca de 3 massas solares. Os buracos negros formados pelo processo acima referido têm entre 5 e 30 massas solares. Os buracos negros no centro das galáxias são super-maciços, milhões a milhares de milhões de vezes mais maciços do que o Sol. O processo que levou à sua formação é alvo de intensa investigação. Os buracos negros de massa intermédia deveriam existir mas as evidências observacionais são escassas. Crédito: NASA/JPL-Caltech.]

As observações realizadas com o telescópio nuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) permitiram detectar raios X de alta energia provenientes de uma ULX na galáxia Messier 82 — a M82 X-2. Mais interessante ainda, as pulsações ocorrem regularmente a cada 1.37 segundos. Esta periodicidade é característica dos pulsares, estrelas de neutrões em rotação e com campos magnéticos intensos, e não ocorre em sistemas com buracos negros. Os astrónomos detectaram também variações regulares nas pulsações, com um período de 2.5 dias, que atribuíram ao movimento orbital do pulsar num sistema binário. Esta informação, conjugada com alguns pressupostos simples, permitiu determinar uma massa mínima para a estrela companheira do pulsar — cerca de 5.2 massas solares. O valor pode ser muito maior dependendo da inclinação da órbita relativamente à nossa linha de visão.

A source with unusual pulsations in the M82 galaxy about 11.4 million light years from Earth.
[Esta imagem da galáxia Messier 82 combina observações realizadas pelo telescópio Chandra em raios X de baixa energia (azul claro), pelo telescópio nuSTAR em raios X de alta energia (mancha rosa no centro da galáxia) e pelo telescópio NRAO de 2.1 metros no Observatório de Kitt Peak(imagem de fundo). Os raios X mais energéticos estão localizados na região central da galáxia onde se encontram as fontes M82 X-1 e M82 X-2. Crédito: NASA/CXC/Univ. of Toulouse/M.Bachetti et al, Optical: NOAO/AURA/NSF.]

Estas observações, em raios X de alta energia, foram complementadas com observações da região central da Messier 82 com o telescópio Chandra, em raios X de mais baixa energia. O Chandra não detectou as pulsações porque não foi desenhado para medir com precisão a intensidade de raios X em instantes consecutivos muito próximos no tempo. No entanto, a sua resolução espacial superior permitiu determinar claramente, por comparação com as imagens obtidas com o nuSTAR, qual a fonte de raios X na origem das pulsações de entre duas ULXs muito próximas — M82 X-1 e X-2.

A source with unusual pulsations in the M82 galaxy about 11.4 million light years from Earth.
[As duas ULXs — M82 X-1 e X-2, na região central da galáxia Messier 82. Os raios X de baixa energia (Chandra) estão representados a azul. Os raios X de alta energia (nuSTAR) estão representados a rosa. A imagem mostra claramente que os raios X de alta energia provêm da região associada com M82 X-2. Crédito: NASA/CXC/Univ. of Toulouse/M.Bachetti et al, Optical: NOAO/AURA/NSF.]

As pulsações na M82 X-2 têm origem na interação entre a estrela de neutrões em rotação e o disco de acreção. Conduzido pelo fortíssimo campo magnético da estrela de neutrões, o plasma da região mais interior do disco colide com a estrela em 2 pontos opostos da sua superfície. A colisão aquece o plasma a temperaturas extremas dando origem a 2 pontos de emissão intensa de raios X na superfície. A rotação da estrela de neutrões vira estas zonas “quentes” da superfície uma vez por cada rotação na direcção da Terra, produzindo as pulsações observadas.

Esta descoberta é particularmente importante porque implica que muitas das ULXs poderão afinal ser “apenas” sistemas binários normais com pulsares ou buracos negros de massa estelar que conseguem, pelo menos aparentemente, através de um mecanismo desconhecido, superar em dezenas ou centenas de vezes o seu Limite de Eddington. Este limite teórico consiste na luminosidade máxima que um sistema binário pode atingir sem que a pressão da radiação por ele produzida vença a gravidade da estrela de neutrões ou do buraco negro, provocando a dissipação do disco de acreção. Por outras palavras, de repente os buracos negros de massa intermédia deixam de ser necessários para explicar sistemas com esta luminosidade em raios X.

(Fontes: nuSTAR e Chandra)

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