Esses remanescentes ultradensos de estrelas massivas emitem feixes de radiação como um farol

O conceito deste artista mostra um pulsar, que é como um farol, pois sua luz aparece em pulsos regulares à medida que gira. Os pulsares são remanescentes densos de estrelas explodidas e fazem parte de uma classe de objetos chamados estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: SA/JPL-Caltech

Um pulsar é um tipo especial de estrela de nêutrons, que é o núcleo remanescente ultradenso de uma estrela massiva. 

Os pulsares emitem feixes de radiação que varrem em círculos à medida que o pulsar gira. Quando esses feixes piscam sobre a Terra, nós os vemos como pulsos regulares e repetidos de emissão de rádio.

“Os pulsares são objetos espetaculares em si, a massa do Sol amontoada em uma pequena bola do tamanho de uma cidade, girando em seu eixo, em alguns casos mais rápido que um liquidificador de cozinha, e varrendo feixes de ondas de rádio pelo céu”, disse, Anne Archibald, professora de astronomia da Universidade de Newcastle, no Reino Unido.

QUEM DESCOBRIU OS PULSARES?

Em 1967, uma estudante de pós-graduação chamada Jocelyn Bell estava estudando os resultados do Interplanetary Scintillation Array no Mullard Radio Astronomy Observatory em Cambridge, Reino Unido. Ela estava trabalhando com seu orientador, Antony Hewish, quando eles encontraram uma fonte de repetidos sinais de rádio vindos do mesmo lugar no céu todas as noites, de acordo com o CSIRO Australian Telescope National Facility.

O sinal era tão regular, repetindo-se a cada 1,33 segundo, que Bell e Hewish se perguntaram se teriam encontrado uma mensagem de uma civilização alienígena avançada. Eles até chamaram a fonte de “LGM-1” para “pequenos homens verdes”. Mas uma vez que encontraram outras fontes semelhantes em outras partes do céu, eles sabiam que os sinais tinham que ter uma origem natural (caso contrário, os alienígenas estariam em todos os lugares).

Embora os pulsares emitam em todos os comprimentos de onda de radiação eletromagnética, as ondas de rádio são as melhores para penetrar nuvens de gás e poeira interestelar em uma galáxia, e assim os astrônomos tendem a ver objetos distantes no espectro de rádio antes de outras partes do espectro.

COMO OS PULSARES SÃO FORMADOS?

Esta ilustração mostra linhas de campo magnético que se projetam de uma estrela de nêutrons altamente magnética, ou uma pepita densa que sobra depois que uma estrela se transforma em supernova e explode. Conhecidos como magnetares, esses objetos geram explosões brilhantes de luz que podem ser alimentadas por seus fortes campos magnéticos. Crédito da imagem: ESA

Antes da descoberta dos pulsares, os astrônomos já haviam teorizado que as estrelas de nêutrons poderiam existir. Eles descobriram que, quando uma estrela muito mais massiva que o Sol morre, às vezes pode deixar para trás um núcleo incrivelmente denso. Os astrônomos chamaram esse núcleo de estrela de nêutrons. Uma estrela de nêutrons tem densidade incrivelmente alta (aproximadamente a mesma densidade de um núcleo atômico), colocando vários sóis de material em um volume de apenas alguns quilômetros de diâmetro, de acordo com o Observatório Nacional de Radioastronomia da National Science Foundation.

Embora as estrelas de nêutrons sejam feitas quase inteiramente de nêutrons, elas contêm alguns prótons carregados positivamente. Como as estrelas de nêutrons são tão pequenas e densas, elas giram incrivelmente rápido. As cargas que se movem em círculo alimentam campos magnéticos incrivelmente fortes, e esse magnetismo pode lançar feixes de radiação que saem dos polos magnéticos da estrela de nêutrons.

COMO OS PULSARES PULSAM?

Os polos magnéticos de uma estrela de nêutrons raramente se alinham com seu eixo de rotação. Isto é como a Terra: Os polos magnéticos do nosso planeta não se alinham com os seus polos geográficos. Em estrelas de nêutrons, isso faz com que o feixe de radiação varra o espaço em círculos acima e abaixo da estrela, de acordo com o Imagine the Universe da NASA.

Se os feixes de radiação não atingirem a Terra, os astrônomos verão uma estrela de nêutrons normal. Mas se o feixe varrer a Terra, os telescópios aqui detectarão uma explosão de radiação toda vez que o feixe circular de volta. Da perspectiva de um terráqueo, eles parecem flashes regulares ou pulsos de radiação, daí o nome "pulsares".

Os flashes dos pulsares são extremamente regulares, com alguns mantendo ciclos regulares dentro de um bilionésimo de nanosegundo. 

"É como ter um relógio de precisão convenientemente instalado em algum lugar da galáxia", disse Archibald.

OS PULSARES SÃO PERIGOSOS?

Este gráfico de quatro painéis mostra os dois pulsares observados pelo Observatório de Raios-X Chandra da NASA. Geminga está no canto superior esquerdo e B0355+54 está no canto superior direito. Em ambas as imagens, os raios-X do Chandra, coloridos em azul e roxo, são combinados com dados infravermelhos do Telescópio Espacial Spitzer da NASA. A ilustração de um artista abaixo de cada imagem mostra como pode ser a estrutura de vento de cada nebulosa do pulsar. Crédito da imagem: imagem Geminga: NASA/CXC/PSU/B. Posselt et al; Infravermelho: NASA/JPL-Caltech; B0355+54: Raio-X: NASA/CXC/GWU/N. Klingler et al; Infravermelho: NASA /JPL-Caltech; Ilustrações: Nahks TrEhnl

De longe, os pulsares não são mais perigosos do que qualquer outro tipo de estrela exótica no universo. No entanto, aproximar-se de um pulsar seria uma má ideia. Além dos feixes de radiação, os pulsares normalmente têm campos magnéticos muito fortes, e as próprias estrelas de nêutrons geralmente são quentes o suficiente para emitir radiação de raios-X.

Felizmente, o pulsar conhecido mais próximo, PSR J0108-1431, está a 424 anos-luz de distância.

QUANTOS PULSARES EXISTEM?

Embora os astrônomos acreditem que existam cerca de um bilhão de estrelas de nêutrons na Via Láctea, conhecemos apenas cerca de 2.000 pulsares. Parte da razão para esta discrepância é que o feixe de radiação de um pulsar tem que se alinhar perfeitamente com a Terra para que os telescópios aqui o vejam. Em segundo lugar, nem toda estrela de nêutrons está girando rápido o suficiente ou tem um campo magnético forte o suficiente para gerar feixes de radiação. Por fim, os astrônomos mapearam apenas uma pequena fração do volume total da galáxia e não observaram todos os pulsares, de acordo com a NASA.

POR QUE OS PULSARES DESACELERAM?

Através de observações cuidadosas, os astrônomos descobriram que os pulsares tendem a desacelerar com o tempo. A emissão de fortes feixes de radiação consome energia, e essa energia vem da energia rotacional da estrela de nêutrons. À medida que o pulsar continua a girar, ele desacelera e perde energia. Eventualmente, depois de vários milhões de anos, o pulsar "desliga" e se torna uma estrela de nêutrons normal, de acordo com o Centro de Astrofísica e Supercomputação da Universidade de Swinburne. na Austrália.

No entanto, às vezes uma estrela de nêutrons pode puxar material de uma companheira estelar próxima. Esse processo adiciona momento angular de volta à estrela de nêutrons, permitindo que ela acelere e se torne um pulsar novamente.

Usando o Chandra e outros observatórios de raios-X, os astrônomos encontraram evidências para o que é provavelmente um dos pulsares mais extremos, ou estrelas de nêutrons rotativas, já detectados. A fonte exibe propriedades de uma estrela de nêutrons altamente magnetizada, ou magnetar, mas seu período de rotação deduzido é milhares de vezes mais longo do que qualquer pulsar já observado. Esta imagem composta mostra o RCW 103 e sua fonte central, conhecida oficialmente como 1E 161348-5055 (1E 1613, abreviado), em três bandas de raios-X detectadas pelo Chandra. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Universidade de Amsterdã/N.Rea et al; Óptica: DSS

PARA QUE OS PULSARES PODEM SER USADOS?

Além de estudar os pulsares por si só, os astrônomos podem usá-los para outros fins de pesquisa. Uma das aplicações mais tentadoras é na área da astronomia de ondas gravitacionais, que estuda as ondulações no espaço-tempo formadas quando objetos massivos colidem.

“As ondas gravitacionais são produzidas por alguns dos eventos mais espetaculares do Universo”, explicou Archibald, “e nos dão uma maneira de estudar esses eventos que é totalmente diferente do que normalmente obteríamos detectando ondas de luz ou rádio”. 

Quando objetos colidem e liberam ondas gravitacionais, essas ondas alteram as distâncias entre os pontos. Portanto, se os astrônomos têm seus telescópios preparado para um pulsar, a duração entre os pulsos pode encurtar ou aumentar se houver uma onda gravitacional passando.

Ao observar redes de pulsares, os astrônomos esperam captar sinais de ondas gravitacionais que passam. A pesquisa está apenas começando, mas Archibald, que faz parte de uma dessas colaborações, está animado. 

“No início, esperamos ver ondas gravitacionais de maneira bastante confusa, mas mesmo assim nos dirá mais sobre como as galáxias se formaram”, disse Archibald, “À medida que nossa sensibilidade melhora, entretanto, podemos detectar pares individuais de buracos negros, torções nas cordas cósmicas ou algo totalmente inesperado".

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RECURSOS ADICIONAIS

• A NASA produziu este vídeo fascinante investigando a física dos pulsares, que você pode assistir aqui. 
• Para as crianças (e crianças de coração) em sua vida, este livro oferece uma excelente introdução aos pulsares para jovens leitores. 
• Assista a descobridora dos pulsares, Dame Jocelyn Bell Burnell, dar esta palestra pública sobre sua história neste vídeo.

BIBLIOGRAFIA

• Mattison, B. (2021, 23 de setembro). Estrelas de nêutrons. Imagine the Universe https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/neutron_stars1.html
• Hobbs, M. (2022, 15 de fevereiro). Uma Introdução aos Pulsares CSIRO Australia Telescope National Facility https://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html
• (2022). Pulsars Astronomy National Radio Astronomy Observatory https://public.nrao.edu/radio-astronomy/pulsars/
• (2007, 30 de agosto) Pulsar COSMOS - The SAO Encyclopedia of Astronomy https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/p/pulsar
• Boone, K. (2007, 23 de agosto) Neutron Stars NASA Fermi Gamma-Ray Telescope https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/science/neutron_stars.html

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Referência:

SUTTER, Paul. What are pulsars? Live Science, Nova York, 24, mai. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/what-are-pulsars>. Acesso em: 25, mai. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.