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Nesta ilustração de uma fonte de raios X ultraluminosa, dois rios de gás quente são puxados para a superfície de uma estrela de nêutrons. Campos magnéticos fortes, mostrados em verde, podem alterar a interação da matéria e da luz perto da superfície das estrelas de nêutrons, aumentando o quão brilhantes elas podem se tornar. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Esses objetos são 100 vezes mais brilhantes do que deveriam. Observações por NASAde NuSTAR Telescópios de raios X apoiam uma possível solução para este quebra-cabeça.
Fontes ultraluminosas de raios X (ULXs) produzem cerca de 10 milhões de vezes mais energia que o Sol, excedendo regularmente o limite de Eddington em 100 a 500 vezes. Isto deixou os cientistas intrigados sobre como estes objetos cósmicos podem ser tão brilhantes. Um estudo recente publicado no The Jornal Astrofísico utilizou o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) da NASA para medir um ULX pela primeira vez. As descobertas confirmam que os ULXs realmente quebram o limite de Eddington, potencialmente devido aos seus fortes campos magnéticos. Uma hipótese alternativa sugere que os fortes campos magnéticos dos ULXs distorcem os átomos em formas alongadas, reduzindo a capacidade dos fótons de afastar os átomos e, em última análise, aumentando o brilho máximo possível de um objeto.
Objetos cósmicos exóticos conhecidos como fontes ultraluminosas de raios X produzem cerca de 10 milhões de vezes mais energia que o Sol. Eles são tão radiantes, na verdade, que parecem ultrapassar um limite físico chamado limite de Eddington, que limita o quão brilhante um objeto pode ser com base em sua massa. Fontes de raios X ultraluminosas (ULXs, para abreviar) excedem regularmente esse limite em 100 a 500 vezes, deixando os cientistas perplexos.
Num estudo recente publicado em O Jornal Astrofísico, os pesquisadores relatam uma medição inédita de um ULX feita com o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) da NASA. A descoberta confirma que estes emissores de luz são de facto tão brilhantes quanto parecem e que ultrapassam o limite de Eddington. Uma hipótese sugere que este brilho que ultrapassa os limites se deve aos fortes campos magnéticos do ULX. Mas os cientistas só podem testar esta ideia através de observações: até milhares de milhões de vezes mais poderosos do que os ímanes mais fortes alguma vez feitos na Terra, os campos magnéticos ULX não podem ser reproduzidos num laboratório.
Ilustração da espaçonave NuSTAR, que possui um mastro de 30 pés (10 metros) que separa os módulos ópticos (direita) dos detectores no plano focal (esquerda). Esta separação é necessária para o método utilizado para detectar raios X. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Quebrando o Limite
Partículas de luz, chamadas fótons, exercem um pequeno empurrão nos objetos que encontram. Se um objeto cósmico como um ULX emite luz suficiente por metro quadrado, o impulso dos fótons para fora pode superar a atração da gravidade do objeto para dentro. Quando isso acontece, um objeto atingiu o limite de Eddington, e a luz do objeto irá, teoricamente, afastar qualquer gás ou outro material que caia em sua direção.
Essa mudança – quando a luz supera a gravidade – é significativa, porque o material que cai sobre um ULX é a fonte do seu brilho. Isto é algo que os cientistas observam frequentemente nos buracos negros: quando a sua forte gravidade atrai gás e poeira dispersos, esses materiais podem aquecer e irradiar luz. Os cientistas costumavam pensar que os ULXs deviam ser buracos negros rodeados por brilhantes cofres de gás. Mas em 2014, dados do NuSTAR revelaram que um ULX chamado M82 X-2 é na verdade um objeto menos massivo chamado estrela de nêutrons. Tal como os buracos negros, as estrelas de neutrões formam-se quando uma estrela morre e colapsa, acumulando mais do que a massa do nosso Sol numa área não muito maior do que uma cidade de tamanho médio.
Esta incrível densidade também cria uma atração gravitacional no Estrêla de Neutrónsda superfície cerca de 100 trilhões de vezes mais forte que a atração gravitacional na superfície da Terra. O gás e outros materiais arrastados por essa gravidade aceleram a milhões de quilómetros por hora, libertando uma tremenda energia quando atingem a superfície da estrela de neutrões. (Um marshmallow caiu na superfície de uma estrela de nêutrons o atingiria com a energia de mil bombas de hidrogênio.) Isso produz a luz de raios X de alta energia que o NuSTAR detecta.
O estudo recente direcionou o mesmo ULX no centro da descoberta de 2014 e descobriu que, como um parasita cósmico, M82 X-2 está roubando cerca de 9 bilhões de trilhões de toneladas de material por ano de uma estrela vizinha, ou cerca de 1 1/2 vezes mais. a massa da Terra. Conhecendo a quantidade de material que atinge a superfície da estrela de neutrões, os cientistas podem estimar o quão brilhante o ULX deverá ser, e os seus cálculos correspondem a medições independentes do seu brilho. O trabalho confirmou que o M82 X-2 excede o limite de Eddington.
Sem ilusões
Se os cientistas puderem confirmar o brilho de mais ULXs, poderão pôr de lado uma hipótese persistente que explicaria o brilho aparente destes objetos sem que os ULXs tivessem que exceder o limite de Eddington. Esta hipótese, baseada em observações de outros objetos cósmicos, postula que os ventos fortes formam um cone oco em torno da fonte de luz, concentrando a maior parte da emissão numa direção. Se apontado diretamente para a Terra, o cone poderia criar uma espécie de ilusão de ótica, fazendo parecer falsamente que o ULX estava excedendo o limite de brilho.
Mesmo que seja esse o caso de alguns ULXs, uma hipótese alternativa apoiada pelo novo estudo sugere que campos magnéticos fortes distorcem os átomos aproximadamente esféricos em formas alongadas e fibrosas. Isso reduziria a capacidade dos fótons de afastar os átomos, aumentando em última análise o brilho máximo possível de um objeto.
“Essas observações nos permitem ver os efeitos desses campos magnéticos incrivelmente fortes que nunca poderíamos reproduzir na Terra com a tecnologia atual”, disse Matteo Bachetti, astrofísico do Observatório de Cagliari do Instituto Nacional de Astrofísica, na Itália, e autor principal do estudo recente. . “Esta é a beleza da astronomia. Observando o céu, ampliamos nossa capacidade de investigar como o universo funciona. Por outro lado, não podemos realmente realizar experiências para obter respostas rápidas; temos que esperar que o universo nos mostre seus segredos.”
Mais sobre a missão
Uma missão Small Explorer liderada pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e gerenciada pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL) no sul da Califórnia para a Diretoria de Missões Científicas da agência em Washington, o NuSTAR foi desenvolvido em parceria com a Universidade Técnica Dinamarquesa e a Agência Espacial Italiana (ASI). A espaçonave foi construída pela Orbital Sciences Corp. em Dulles, Virgínia. O centro de operações de missão do NuSTAR está no Universidade da California, Berkeley, e o arquivo de dados oficial está no Centro de Pesquisa de Arquivos Científicos de Astrofísica de Alta Energia da NASA, no Goddard Space Flight Center da NASA. ASI fornece a estação terrestre da missão e um arquivo de dados espelhados. Caltech gerencia JPL para NASA.