O vento estranho de uma estrela de nêutrons reescreve a física espacial

Em 25 de fevereiro de 2024, o XRISM usou seu instrumento Resolve para observar a estrela de nêutrons GX13+1, o remanescente compacto de uma estrela outrora maior. GX13+1 brilha intensamente em raios X que vêm de um disco de acreção de material superaquecido espiralando para dentro e atingindo a superfície da estrela.

Esses fluxos internos também podem lançar fluxos poderosos que alteram o espaço ao seu redor. A forma como surgem estas saídas ainda está sob investigação, razão pela qual a equipa visou o GX13+1.

O Resolve pode medir com precisão a energia de fótons de raios X individuais, por isso os cientistas anteciparam ver detalhes refinados que nunca haviam sido capturados antes.

“Quando vimos pela primeira vez a riqueza de detalhes dos dados, sentimos que estávamos a testemunhar um resultado revolucionário”, diz Matteo Guainazzi, cientista do projecto XRISM da ESA. “Para muitos de nós, foi a realização de um sonho que perseguíamos há décadas.”

Por que os ventos cósmicos são importantes

Esses ventos não são apenas curiosidades. Eles impulsionam mudanças em grande escala no universo.

Ventos semelhantes também sopram de sistemas com buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Eles podem comprimir nuvens moleculares gigantes para desencadear o nascimento de estrelas ou aquecer e dispersar essas nuvens para interromper a formação de estrelas. Os astrónomos referem-se a este empurrar e puxar como feedback e, em casos extremos, o vento de um buraco negro central pode regular o crescimento de toda a sua galáxia hospedeira.

Dado que os processos em torno dos buracos negros supermassivos podem espelhar os próximos de GX13+1, a equipa escolheu este sistema estelar de neutrões como um alvo mais próximo e mais brilhante que poderia revelar a física subjacente com mais detalhes.

Um aumento oportuno para o limite de Eddington

Pouco antes das observações planeadas, GX13+1 brilhou inesperadamente e atingiu ou mesmo ultrapassou o limite de Eddington.

Este limite descreve o que acontece quando a matéria cai sobre um objeto compacto, como um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Mais matéria caindo libera mais energia. À medida que a produção de energia aumenta, a radiação exerce pressão sobre o material que entra e o empurra para fora. No limite de Eddington, a luz de alta energia produzida pode levar quase toda a matéria que cai de volta ao espaço na forma de vento.

O Resolve gravou GX13+1 durante esta fase dramática.

“Não poderíamos ter agendado isto se tivéssemos tentado”, disse Chris Done, da Universidade de Durham, no Reino Unido, investigador principal do estudo. “O sistema passou de cerca de metade da sua emissão máxima de radiação para algo muito mais intenso, criando um vento mais denso do que alguma vez tínhamos visto antes.”

Um vento lento e denso desafia as expectativas

Apesar da intensa explosão, a velocidade do vento permaneceu próxima de 1 milhão de km/h. Isso é rápido na Terra, mas lento em comparação com os ventos próximos do limite de Eddington em torno de buracos negros supermassivos, onde os fluxos podem atingir 20 a 30 por cento da velocidade da luz, mais de 200 milhões de km/h.

“Ainda é uma surpresa para mim o quão ‘lento’ é este vento”, diz Chris, “bem como a sua espessura. É como olhar para o Sol através de um banco de nevoeiro que rola na nossa direcção. Tudo fica mais escuro quando o nevoeiro é espesso.”

Estrela de nêutrons versus ventos de buraco negro

Este não foi o único contraste. Observações anteriores do XRISM de um buraco negro supermassivo no limite de Eddington revelaram um vento ultrarrápido e aglomerado. Em comparação, o fluxo de saída do GX13+1 parece lento e suave.

“Os ventos eram totalmente diferentes, mas provêm de sistemas praticamente iguais em termos do limite de Eddington. Então, se esses ventos são realmente alimentados apenas pela pressão da radiação, por que são diferentes?” pergunta Chris.

Aumentar a temperatura do disco como chave

A equipe sugere que a resposta está na temperatura do disco de acreção ao redor do objeto central. Contraintuitivamente, os discos em torno de buracos negros supermassivos tendem a ser mais frios do que aqueles em sistemas de massa estelar com estrelas de nêutrons ou buracos negros.

Os discos em torno de buracos negros supermassivos são muito maiores. Eles podem ser extremamente luminosos, mas esse poder está espalhado por uma vasta área, de modo que a radiação típica que emitem atinge o pico na luz ultravioleta. Os sistemas de massa estelar irradiam mais fortemente em raios X.

A luz ultravioleta interage com a matéria mais facilmente do que os raios X. Chris e colegas propõem que esta diferença permite que a radiação ultravioleta empurre a matéria de forma mais eficiente, gerando ventos muito mais rápidos observados perto de buracos negros supermassivos.

O que isso significa para a evolução da galáxia

Se esta explicação for válida, irá refinar a forma como os cientistas pensam sobre a troca de energia e matéria em ambientes extremos. Poderia também esclarecer como estes processos influenciam o crescimento das galáxias e a evolução mais ampla do cosmos.

“A resolução sem precedentes do XRISM permite-nos investigar estes objetos – e muitos mais – com muito maior detalhe, abrindo caminho para o telescópio de raios X de alta resolução da próxima geração, como o NewAthena,” afirma Camille Diez, investigadora da ESA.

Visão geral da missão XRISM

XRISM (pronuncia-se krizz-em) foi lançado em 7 de setembro de 2023. A missão é liderada pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) em parceria com a NASA e a ESA. Ele voa com dois instrumentos: Resolve, um calorímetro de raios X que mede a energia de fótons de raios X individuais para fornecer um nível sem precedentes de resolução de energia (a capacidade de um instrumento de distinguir as ‘cores’ dos raios X), e Xtend, uma câmera CCD de raios X de campo amplo que fotografa a região circundante.