Um conto de dois PULSARES: PLUMAS dão aulas de geometria aos astrónomos

Imagens obtidas pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA (topo) e impressões de artista (em baixo) que forneceram um melhor olhar sobre os pulsares e suas nebulosas de vento associadas. Geminga, à esquerda, está a aproximadamente 800 anos-luz da Terra. A cauda de Geminga estende-se por mais de meio ano-luz, mais de 1000 vezes a distância entre o Sol e Plutão. B0355+54, à direita, está a aproximadamente 3300 anos-luz da Terra. A cauda dupla e estreita prolonga-se por quase cinco anos-luz. Crédito: esquerda, topo - raios-X - NASA/CXC/PSU/B. Posselt et al; infravermelho (fundo): NASA/JPL-Caltech; direita, topo - raios-X - NASA/CXC/GWU/N. Klingler et al; infravermelho (fundo): NASA/JPL-Caltech; ilustrações em baixo: Nahks Tr'Ehnl

Como faróis cósmicos que varrem o Universo com rajadas de energia, os pulsares fascinam e confundem os astrónomos desde que foram descobertos há 50 anos atrás. Em dois estudos, equipas internacionais de astrónomos sugerem que imagens recentes de dois pulsares, obtidas pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA, Geminga e B0355+54, podem ajudar a iluminar as assinaturas distintivas dos pulsares, bem como a sua geometria muitas vezes desconcertante. Os pulsares são um género de estrela de neutrões que nascem em explosões de supernova quando as estrelas massivas desmoronam. Descobertas inicialmente graças a feixes de emissão de rádio, parecidos a faróis, as investigações mais recentes descobriram que os pulsares energéticos também produzem feixes de raios-gama altamente energéticos.

Curiosamente, os feixes raramente se combinam, afirma Bettina Posselt, investigadora em astronomia e astrofísica da Universidade Estatal da Pensilvânia, EUA. As formas dos pulsos rádio e raios-gama observados são muitas vezes bastante diferentes e alguns dos objetos mostram apenas ou um tipo de pulso ou o outro. Estas diferenças geraram debate sobre o modelo de pulsar.

"Não se sabe totalmente o porquê de haverem variações entre diferentes pulsares," comenta Posselt. "Uma das principais ideias é que as diferenças de pulso têm muito a ver com a geometria - e também dependem da rotação e de como os eixos magnéticos do pulsar estão orientados em relação à nossa linha de visão. As imagens do Chandra estão dando aos astrónomos o seu olhar mais próximo sobre a geometria distinta dos ventos de partículas carregadas que irradiam raios-X e outros comprimentos de onda dos objetos. 

Os pulsares rodam ritmicamente enquanto viajam velozmente pelo espaço a velocidades que atingem centenas de quilómetros por segundo. As nebulosas de vento pulsar (sigla PWN, inglês para Pulsar Wind Nebulae) são produzidas quando as partículas energéticas que fluem dos pulsares são disparadas ao longo dos campos magnéticos da estrela, formando toros - anéis - em redor do plano equatorial do pulsar e percorrem o eixo de rotação, muitas vezes formando caudas longas à medida que os pulsares rapidamente cortam através do meio interestelar.

"Este é um dos resultados mais agradáveis do nosso estudo mais amplo das nebulosas de vento pulsar," comenta Roger W. Romani, professor de astrofísica na Universidade de Stanford e investigador principal do projeto PWN do Chandra. "Ao tornar visível a estrutura tridimensional destes ventos, mostramos como podemos chegar ao plasma injetado pelo pulsar no centro. A fantástica acuidade de raios-X do Chandra foi essencial para este estudo, por isso estamos felizes por ter sido possível obter as exposições profundas que tornaram estas ténues estruturas visíveis."

Pode ser vista uma espetacular PWN em redor do pulsar Geminga. Geminga - um dos pulsares mais próximos, a apenas 800 anos-luz de distância da Terra - tem três caudas invulgares, realça Posselt. Os fluxos de partículas expelidos dos alegados polos de Geminga - ou caudas laterais - estendem-se por mais de meio ano-luz, mais de 1000 vezes a distância entre o Sol e Plutão. Outra cauda, mais curta, também é emanada do pulsar.

Os astrónomos disseram que uma imagem muito diferente pode ser vista no pulsar chamado B0355+54, que está a cerca de 3000 anos-luz da Terra. A cauda deste pulsar tem um tampão de emissão, seguido por uma cauda dupla e estreita que se prolonga por quase cinco anos-luz.

Enquanto Geminga mostra pulsos no espectro de raios-gama, mas permanece silencioso no rádio, B0355+54 é um dos pulsares de rádio mais brilhantes, mas não mostra raios-gama. As caudas parecem dizer-nos porque é que isto é assim," afirma Posselt, explicando que o eixo de rotação dos pulsares e suas orientações magnéticas influenciam as emissões que podemos ver a partir da Terra.

Segundo Posselt, Geminga pode ter polos magnéticos muito perto da parte superior e inferior do objeto, e polos de rotação quase alinhados, tal como a Terra. Um dos polos magnéticos de B0355+54 pode estar orientado diretamente para a Terra. Como a emissão de rádio ocorre perto do local dos polos magnéticos, as ondas de rádio podem apontar ao longo da direção dos jatos, disse ela. A emissão de raios-gama, por outro lado, é produzida a maiores altitudes e numa região maior, permitindo com que os respetivos pulsos varram áreas maiores do céu.

"Para Geminga, vemos os brilhantes pulsos de raios-gama e a orla do toro da nebulosa de vento pulsar, mas os feixes de rádio perto dos jatos apontam para os lados e permanecem invisíveis," realça Posselt. As caudas laterais, fortemente dobradas, dão aos astrónomos pistas sobre a geometria do pulsar, que pode ser comparada com a dos jatos produzidos por aviões, ou com frentes de choque parecidas com aquelas criadas por uma bala enquanto viaja pelo ar.

Oleg Kargaltsev, professor assistente de física da Universidade George Washington, que trabalhou no estudo de B0355+54, disse que a orientação de B0355+54 desempenha também um papel no modo como os astrónomos vêm o pulsar.  Para B0355+54, um jato aponta diretamente para nós, de modo que detetamos os brilhantes pulsos de rádio enquanto a maioria da emissão de raios-gama é direcionada no plano do céu e falha a Terra," explica Kargaltsev. Isto implica que a direção do eixo de rotação do pulsar está alinhada com a nossa perspetiva e que o pulsar está a mover-se perpendicularmente ao seu eixo de rotação."

Noel Klingler, assistente de investigação em física, da Universidade George Washington, e autor principal do artigo sobre B0355+54, acrescentou que os ângulos entre os três vetores - o eixo de rotação, a linha de visão e a velocidade - são diferentes para pulsares diferentes, afetando assim a aparências das suas nebulosas. "Em particular, pode ser complicado detetar uma PWN de um pulsar movendo-se perto da linha de visão e tendo um pequeno ângulo entre o eixo de rotação e a nossa perspetiva," comenta Klingler.

Na interpretação da frente de choque dos dados de raios-X de Geminga, as suas duas longas caudas e o seu espectro invulgar podem sugerir que as partículas são aceleradas até quase à velocidade da luz por um processo chamado aceleração de Fermi. A aceleração de Fermi ocorre na interseção entre o vento pulsar e o material interestelar, segundo os cientistas, que divulgaram as suas descobertas sobre Geminga na atual edição da revista The Astrophysical Journal.

Apesar de diferentes interpretações permaneceram na mesa para a geometria de Geminga, Posselt realça que as imagens do pulsar pelo Chandra estão a ajudar os astrofísicos a usar pulsares como laboratórios de física de partículas. O estudo destes objetos dá aos astrofísicos a oportunidade de investigar a física de partículas em condições que seriam impossíveis de reproduzir num acelerador de partículas cá na Terra. Em ambos os cenários, Geminga fornece emocionantes novas restrições sobre a física de aceleração em nebulosas de vento pulsar e sobre a sua interação com a matéria interestelar circundante," conclui.

Fonte: Astronomia OnLine