Emissão de Rádio do Polo Magnético de um Pulsar Revelado pela Relatividade Geral

Representação da precessão do pulsar J1906 + 0746 (com o vetor de rotação na cor vermelha) em torno do vetor de momento angular total (vetor azul). Dois feixes de rádio são emitidos acima dos pólos magnéticos opostos do pulsar, ao longo do eixo magnético (seta branca). À medida que os feixes de rádio atravessam nossa linha de visão, podemos reconstruir os mapas de emissão dos feixes, como mostrado nos mapas circulares nas bordas dos dois feixes. Crédito: Gregory Desvignes (MPIfR Bonn / Paris Observatory)

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 equipe de pesquisa liderada por Gregory Desvignes, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, em Bonn, Alemanha, usou observações de rádio da fonte PSR J1906 + 0746 para reconstruir a emissão polarizada sobre o polo magnético do pulsar e prever o desaparecimento da emissão detectável até 2028.
Observações desse sistema confirmam a validade de um modelo de 50 anos atrás que relaciona a radiação do pulsar com sua geometria. Os pesquisadores também são capazes de medir com precisão a taxa de mudança na direção da rotação e encontrar uma excelente concordância com as previsões da teoria geral da relatividade de Einstein.
O experimento é o teste mais desafiador até o momento desse importante efeito da precessão do spin relativístico para corpos com fortes campos gravitacionais. Além disso, o formato do feixe de rádio previsto pelo modelo tem implicações para a população de estrelas de nêutrons e a taxa esperada de fusões de estrelas de nêutrons, conforme observado por detectores de ondas gravitacionais, como o LIGO.
Os pulsares são estrelas de nêutrons de giro rápido que concentram 40% ou mais mais massa que o Sol - numa pequena esfera de apenas cerca de 20 km de diâmetro. Eles têm campos magnéticos extremamente fortes e emitem um feixe de ondas de rádio ao longo de seus eixos magnéticos acima de cada um dos polos magnéticos opostos. Devido à sua rotação estável, um efeito de farol produz sinais pulsados ​​que chegam à Terra com a precisão de um relógio atômico. A grande massa, a compacidade da fonte e as propriedades de relógio permitem que os astrônomos os usem como laboratórios para testar a teoria geral da relatividade de Einstein.
A teoria prevê que o espaço-tempo é curvado por corpos maciços como pulsares. Uma consequência esperada é o efeito da precessão do spin relativístico em pulsares binários. O efeito surge de um desalinhamento do vetor de rotação de cada pulsar em relação ao vetor de momento angular total do sistema binário e é provavelmente causado por uma explosão de supernova assimétrica. Essa precessão faz com que a geometria da visualização varie, o que pode ser testado observacionalmente, monitorando alterações sistemáticas no perfil do pulso observado.
Evidências para um perfil de pulso variável atribuído a alterações na geometria de visão causadas pela precessão do spin foram observadas e modeladas no pulsar binário PSR 1913+16, descoberto por Hulse-Taylor, que ganharam o Nobel por isso. Outros pulsares binários também mostram o efeito, mas nenhum deles permitiu estudos com precisão e nível de detalhe obtidos com o PSR J1906 + 0746.
O alvo é um jovem pulsar com um período de rotação de 144 milissegundos em uma órbita de 4 horas em torno de outra estrela de nêutrons na direção da constelação de Áquila (a Águia), bem perto do plano da Via Láctea.
"O PSR J1906 + 0746 é um laboratório único no qual podemos limitar simultaneamente a física das emissões dos pulsos de rádio e testar a teoria geral da relatividade de Einstein", diz Gregory Desvignes, do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, o primeiro autor do estudo.
A equipe de pesquisa monitorou o pulsar de 2012 a 2018 com o radiotelescópio de Arecibo a uma frequência de 1,4 GHz. Essas observações foram complementadas com dados de arquivo dos radiotelescópios de Nançay e o próprio Arecibo registrados 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 equipe 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 raio do norte desapareceu e apenas o raio do sul permaneceu visível. Com base em um estudo detalhado das informações de polarização da emissão recebida, foi possível aplicar um modelo de 50 anos de idade, prevendo que as propriedades de polarização codificavam informações sobre a geometria do pulsar. Os dados do pulsar validaram o modelo e também permitiram à equipe medir a taxa de precessão com um nível de incerteza de apenas 5%, mais rigoroso que a medida da taxa de precessão no sistema PSR J0737-3039, um sistema de referência para esses testes até o momento. O valor medido concorda perfeitamente com a previsão da teoria de Einstein.
"Os pulsares podem fornecer testes gravitacionais que não podem ser feitos de nenhuma outra maneira", diz Ingrid Stairs, da Universidade da Colúmbia Britânica, em Vancouver, co-autora do estudo.
Além disso, a equipe pode prever o desaparecimento e o reaparecimento de ambos os feixes norte e sul do 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 por volta de 2085-2105.
O experimento de 14 anos (2005 à 2018) também forneceu informações interessantes sobre o funcionamento pouco compreendido dos próprios pulsares. A equipe percebeu que a linha de visão da Terra havia cruzado o polo magnético na direção Norte-Sul, permitindo não apenas um mapa do feixe do pulsar, mas também um estudo das condições de emissão de rádio logo acima do polo magnético.
"É muito gratificante que, após várias décadas, nossa linha de visão esteja atravessando o polo magnético de um pulsar que, pela primeira vez demonstre a validade de um modelo proposto em 1969", explica Kejia Lee, do Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica, da Universidade de Pequim, Beijing, outro co-autor do artigo. "Em contraste, a forma do feixe é realmente irregular e inesperada".
O mapa do feixe revela a verdadeira extensão do feixe do pulsar, que determina a porção do céu iluminada pelo feixe. Este parâmetro afeta o número previsto da população galáctica de estrelas duplas de nêutrons e, portanto, a taxa esperada de detecção de ondas gravitacionais para fusões de estrelas de nêutrons.

Fonte: PHYS.ORG