NICER descobre surtos de raios-X nos pulsos de rádio do pulsar da Nebulosa do Caranguejo

 A Nebulosa do Caranguejo, uma nuvem de detritos em expansão com seis anos-luz de diâmetro, de uma explosão de supernova, alberga uma estrela de neutrões que gira 30 vezes por segundo e está entre os pulsares mais brilhantes do céu em raios-X e no rádio. Esta composição de imagens pelo Telescópio Espacial Hubble revela gases diferentes expelidos na explosão: o azul revela o oxigénio neutro, o verde mostra o enxofre ionizado e o vermelho indica o oxigénio duplamente ionizado. Crédito: NASA, ESA, J. Hester e A. Loll (Universidade Estatal do Arizona)

Uma colaboração científica global usando dados do telescópio NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA a bordo da Estação Espacial Internacional descobriu surtos de raios-X que acompanham as explosões de rádio do pulsar situado na Nebulosa do Caranguejo. A descoberta mostra que estes surtos, chamados pulsos gigantes de rádio, libertam muito mais energia do que se suspeitava anteriormente. 

Um pulsar é um tipo de estrela de neutrões que gira rapidamente, o núcleo esmagado - do tamanho de uma cidade - de uma estrela que explodiu como uma supernova. Uma estrela de neutrões jovem e isolada pode girar dezenas de vezes por segundo, e o seu campo magnético circundante alimenta feixes de ondas de rádio, luz visível, raios-X e raios-gama. Se estes feixes passarem pela perspetiva da Terra, os astrónomos observam pulsos de emissão semelhantes aos de um relógio e classificam o objeto como um pulsar. 

"Dos mais de 2800 pulsares catalogados, o pulsar da Nebulosa do Caranguejo é um dos poucos que emite pulsos gigantes de rádio, que ocorrem esporadicamente e podem ser centenas a milhares de vezes mais brilhantes do que os pulsos regulares," disse o cientista Teruaki Enoto do RIKEN em Wako, prefeitura de Saitama, Japão. "Após décadas de observações, apenas o pulsar da Nebulosa do Caranguejo demonstrou aumentar os seus pulsos gigantes de rádio com emissão de outras partes do espectro." 

Entre 2017 e 2019, o NICER da NASA e radiotelescópios no Japão estudaram o pulsar da Nebulosa do Caranguejo ao mesmo tempo. Nesta visualização, que representa apenas 13 minutos das observações do NICER, são apresentados milhões de raios-X em relação à fase rotacional do pulsar, centrada na emissão rádio mais forte. Para efeitos de clareza, são mostradas duas rotações completas. À medida que os feixes do pulsar varre a linha de visão, produzem dois picos para cada rotação, o mais brilhante associado com maiores números de de pulsos gigantes de rádio. Pela primeira vez, os dados do NICER mostram um ligeiro aumento na emissão de raios-X associada a estes eventos. Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/Enoto et al., 2021

O novo estudo, publicado na edição de 9 de abril da revista Science e também disponível online, analisou a maior quantidade de dados simultâneos de raios-X e rádio já recolhidos de um pulsar. O estudo estende por um fator de milhares a faixa de energia observada associada a este fenómeno. 

Localizado a cerca de 6500 anos-luz de distância na direção da constelação de Touro, a Nebulosa do Caranguejo e o seu pulsar formaram-se numa supernova cuja luz atingiu a Terra em julho de 1054. A estrela de neutrões gira 30 vezes por segundo, e em comprimentos de onda de raios-X e rádio está entre os pulsares mais brilhantes do céu. 

Entre agosto de 2017 e agosto de 2019, Enoto e colegas usaram o NICER para observar repetidamente o pulsar da Nebulosa do Caranguejo em raios-X a energias de até 10.000 eletrões-volt, ou milhares de vezes a energia da luz visível. Enquanto o NICER observava, a equipa também estudava o objeto usando pelo menos um de dois radiotelescópios terrestres no Japão - a antena de 34 metros do Centro Espacial Kashima e a antena de 64 metros do Centro Espacial Usuda da JAXA (a agência espacial japonesa), ambos operando na frequência de 2 gigahertz. 

O conjunto de dados combinado deu efetivamente aos investigadores quase dia e meio de cobertura simultânea de raios-X e rádio. Ao todo, capturaram atividade durante 3,7 milhões de rotações do pulsar e cerca de 26.000 pulsos gigantes de rádio. 

Os pulsos gigantes explodem rapidamente, atingindo milionésimos de segundo, e ocorrem de forma imprevisível. No entanto, quando ocorrem, coincidem com as pulsações regulares tipo-relógio do pulsar. 

O NICER regista o tempo de chegada de cada raio-X e deteta-o até uma precisão de 100 nanossegundos, mas o rigor cronométrico do telescópio não é a sua única vantagem para este estudo. 

"A capacidade do NICER em observar fontes brilhantes de raios-X é quase quatro vezes maior do que o brilho combinado do pulsar e da sua nebulosa," disse Zaven Arzoumanian, líder científico do projeto no Centro Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. "Portanto, estas observações não foram afetadas em grande parte pela acumulação - onde um detetor conta dois ou mais raios-X como um único evento - e outros problemas que complicaram as análises anteriores." 

A equipa de Enoto combinou todos os dados de raios-X que coincidiam com os pulsos gigantes de rádio, revelando um aumento de raios-X de cerca de 4% que ocorreu em sincronia com eles. É notavelmente semelhante ao aumento de 3% na luz visível também associada ao fenómeno, descoberto em 2003. Em comparação com a diferença de brilho entre os pulsares regulares do Caranguejo e os gigantes, estas mudanças são notavelmente pequenas e representam um desafio que os modelos teóricos têm de explicar. 

Assim sendo, sugere-se que os pulsos gigantes são uma manifestação de processos subjacentes que produzem emissões que abrangem o espetro eletromagnético, do rádio aos raios-X. E como os raios-X têm milhões de vezes a "força" das ondas de rádio, mesmo um aumento modesto representa uma grande contribuição de energia. Os investigadores concluíram que a energia total emitida associada a um pulso gigante é dezenas a centenas de vezes maior do que a estimada anteriormente apenas a partir de dados no rádio e no visível. 

"Ainda não entendemos como ou onde os pulsares produzem a sua emissão complexa e abrangente, e é gratificante ter contribuído com outra peça do puzzle de vários comprimentos de onda destes objetos fascinantes," conclui Enoto.

Fonte: Astronomia OnLine