Fermi, da NASA, Detecta Primeiros Eclipses de Raios Gama de Sistemas Estelares 'Aranha'

Nessa ilustração, uma estrela em órbita começa a eclipsar sua parceira, um remanescente estelar superdenso e de rápida rotação chamado pulsar. O pulsar emite feixes de luz de vários comprimentos de onda que giram para dentro e para fora da vista e produzem fluxos que aquecem o lado oposto da estrela, soprando o material e erodindo seu parceiro.
Créditos: NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnet

Cientistas descobriram os primeiros eclipses de raios gama de um tipo especial de sistema estelar binário usando dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA. Cada um desses  sistemas, conhecidos como 'aranha', contém um pulsar – os restos superdensos e em rápida rotação de uma estrela que explodiu em uma supernova e uma estrela companheira proto-anã branca - um objeto em fase de transição para se tornar uma anã branca.

Uma equipe internacional de cientistas vasculhou mais de uma década de observações do Fermi para encontrar sete 'aranhas' que passam por esses eclipses, que ocorrem quando a estrela companheira de baixa massa passa na frente do pulsar do nosso ponto de vista. Os dados permitiram que eles calculassem como os sistemas se inclinam em relação à nossa linha de visão e outras informações.  

“Um dos objetivos mais importantes para estudar os sitemas  de aranha é tentar medir as massas dos pulsares”, disse Colin Clark, astrofísico do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Hannover, Alemanha, que liderou o trabalho. “Pulsares são basicamente os objetos mais densos de matéria que podemos medir. A massa máxima que eles podem atingir restringe a física dentro desses ambientes extremos, que não podem ser replicados na Terra”.

Os sistemas de aranha se desenvolvem porque uma estrela em um binário evolui mais rapidamente do que seu parceira. Quando a estrela mais massiva se transforma em supernova, ela deixa para trás um pulsar . Este remanescente estelar emite feixes de luz de vários comprimentos de onda, incluindo raios gama, que entram e saem de nossa visão, criando pulsos tão regulares que rivalizam com a precisão dos relógios atômicos.

No início, um pulsar de 'aranha' “se alimenta” de seu companheiro desviando um fluxo de gás. À medida que o sistema evolui, a alimentação faz o pulsar começar a girar mais rapidamente, gerando fluxos de partículas e radiação que superaquecem o lado frontal do companheiro e o erodem.

Os cientistas dividem os sistemas de aranha em dois tipos com nomes de espécies de aranhas cujas fêmeas às vezes comem seus companheiros menores. As viúvas negras contêm companheiras com menos de 5% da massa do Sol. As Redback (aranhas-de-costa-vermelha) hospedam companheiros maiores, tanto em tamanho quanto em massa, pesando entre 10% e 50% do Sol.

“Antes do Fermi, conhecíamos apenas um punhado de pulsares que emitiam raios gama”, disse Elizabeth Hays, cientista do projeto Fermi no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Após mais de uma década de observações, a missão identificou mais de 300 e coletou um conjunto de dados longo e quase ininterrupto que permite à comunidade fazer ciência pioneira.”

Os pesquisadores podem calcular as massas dos sistemas de aranha medindo seus movimentos orbitais. As observações de luz visível podem medir a rapidez com que a estrela companheira está viajando, enquanto as medições de rádio revelam a velocidade do pulsar. No entanto, eles dependem do movimento em direção e para longe de nós. Para um sistema quase direto, essas mudanças são pequenas e potencialmente confusas. Os mesmos sinais também podem ser produzidos por um sistema menor, de órbita mais lenta, visto de lado. Conhecer a inclinação do sistema em relação à nossa linha de visão é vital para medir a massa.

O ângulo de inclinação normalmente é medido usando luz visível, mas essas medições vêm com algumas complicações potenciais. À medida que o companheiro orbita o pulsar, seu lado superaquecido aparece e desaparece, criando uma flutuação na luz visível que depende da inclinação. No entanto, os astrônomos ainda estão aprendendo sobre o processo de superaquecimento, e modelos com diferentes padrões de aquecimento às vezes preveem diferentes massas de pulsar.

Os raios gama, no entanto, são gerados apenas pelo pulsar e têm tanta energia que viajam em linha reta, sem serem afetados por detritos, a menos que sejam bloqueados pelo companheiro. Se os raios gama desaparecerem do conjunto de dados de um sistema de aranha, os cientistas podem inferir que o companheiro eclipsou o pulsar. A partir daí, eles podem calcular a inclinação do sistema em nossa linha de visão, as velocidades das estrelas e a massa do pulsar.

PSR B1957+20, ou B1957 para abreviar, foi a primeira viúva negra conhecida, descoberta em 1988. Modelos anteriores para este sistema, construídos a partir de observações de luz visível, determinaram que ele era inclinado cerca de 65 graus em nossa linha de visão e a massa do pulsar era 2,4 vezes a do Sol. Isso tornaria o B1957 o pulsar mais pesado conhecido, abrangendo o limite de massa teórico entre o pulsar e o buraco negro.

Olhando para os dados do Fermi, Clark e sua equipe encontraram 15 fótons de raios gama ausentes. O tempo dos pulsos de raios gama desses objetos é tão confiável que 15 fótons ausentes ao longo de uma década são significativos o suficiente para que a equipe possa determinar que o sistema está eclipsando. Eles então calcularam que o binário está inclinado 84 graus e o pulsar pesa apenas 1,8 vezes mais que o Sol, em vez de 2,4 vezes determinado anteriormente.

“Há uma busca para encontrar pulsares maciços, e esses sistemas de aranha são considerados uma das melhores maneiras de encontrá-los”, disse Matthew Kerr, coautor do novo artigo e físico pesquisador do US Naval Research Laboratory em Washington. . “Eles passaram por um processo muito extremo de transferência de massa da estrela companheira para o pulsar. Quando realmente ajustarmos esses modelos, saberemos com certeza se esses sistemas de aranha são mais massivos do que o resto da população de pulsares”.

Fonte: NASA