Estudo ajuda a explicar fontes ultraluminosas de raios-X que quebram limites

Esses objetos são mais de 100 vezes mais brilhantes do que deveriam ser. Observações feitas pelo telescópio de raios-X NuSTAR da agência apoiam uma possível solução para este quebra-cabeça. 

Nesta ilustração de uma fonte de raios-X ultra-luminosa, 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. Créditos: NASA/JPL-Caltech 

Objetos cósmicos exóticos conhecidos como fontes de raios-X ultra-luminosas produzem cerca de 10 milhões de vezes mais energia do que o Sol. Eles são tão radiantes, de fato, que parecem ultrapassar um limite físico chamado limite de Eddington, que coloca um limite em quão brilhante um objeto pode ser baseado em sua massa. Fontes de raios-X ultra-luminosas (ULXs, para abreviar) excedem regularmente esse limite de 100 a 500 vezes, deixando os cientistas intrigados.

Em um estudo recente publicado no The Astrophysical Journal, os pesquisadores relatam uma medição inédita de um ULX feita com o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) da NASA. A descoberta confirma que esses emissores de luz são de fato tão brilhantes quanto parecem e que quebram o limite de Eddington. Uma hipótese sugere que esse brilho de quebra de limite é devido aos fortes campos magnéticos do ULX. Mas os cientistas só podem testar essa ideia através de observações: até bilhões de vezes mais poderosos do que os ímãs mais fortes já feitos na Terra, os campos magnéticos ULX não podem ser reproduzidos em laboratório.

Quebrando o limite

Partículas de luz, chamadas fótons, exercem um pequeno empurrão sobre os objetos que encontram. Se um objeto cósmico como um ULX emite luz suficiente por metro quadrado, o impulso para fora dos fótons pode sobrecarregar a atração para dentro da gravidade do objeto. Quando isso acontece, um objeto atingiu o limite de Eddington, e a luz do objeto teoricamente afastará qualquer gás ou outro material que caia em direção a ele.

Esse interruptor – quando a luz sobrecarrega a gravidade – é significativo, porque o material que cai em um ULX é a fonte de seu brilho. Isso é algo que os cientistas observam frequentemente em buracos negros: quando sua forte gravidade atrai gás e poeira perdidos, esses materiais podem aquecer e irradiar luz. Os cientistas costumavam pensar que os ULXs devem ser buracos negros cercados por cofres brilhantes de gás.

Mas em 2014, os dados do NuSTAR revelaram que uma ULX com o nome de M82 X-2 é na verdade um objeto menos massivo chamado estrela de nêutrons. Como os buracos negros, as estrelas de nêutrons se formam quando uma estrela morre e colapsa, empacotando mais do que a massa do nosso Sol em uma área não muito maior do que uma cidade de tamanho médio.

Essa incrível densidade também cria uma atração gravitacional na superfície da estrela de nêutrons cerca de 100 trilhões de vezes mais forte do que a atração gravitacional na superfície da Terra. O gás e outros materiais arrastados por essa gravidade aceleram a milhões de quilômetros por hora, liberando uma tremenda energia quando atingem a superfície da estrela de nêutrons. (Um marshmallow lançado na superfície de uma estrela de nêutrons a 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 teve como alvo o mesmo ULX no coração da descoberta de 2014 e descobriu que, como um parasita cósmico, o 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 a massa da Terra. Sabendo a quantidade de material que atinge a superfície da estrela de nêutrons, os cientistas podem estimar o quão brilhante o ULX deve ser, e seus cálculos correspondem a medições independentes de 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, eles podem colocar na cama uma hipótese persistente que explicaria o brilho aparente desses objetos sem que os ULXs tivessem que exceder o limite de Eddington. Essa hipótese, baseada em observações de outros objetos cósmicos, postula que ventos fortes formam um cone oco em torno da fonte de luz, concentrando a maior parte da emissão em uma direção. Se apontado diretamente para a Terra, o cone poderia criar uma espécie de ilusão de ótica, fazendo com que parecesse falsamente que o ULX estava excedendo o limite de brilho.

Mesmo que esse seja o caso de alguns ULXs, uma hipótese alternativa apoiada pelo novo estudo sugere que fortes campos magnéticos distorcem os átomos aproximadamente esféricos em formas alongadas e fibrosas. Isso reduziria a capacidade dos fótons de afastar os átomos, aumentando 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 principal autor do estudo recente.

"Esta é a beleza da astronomia. Observando o céu, expandimos nossa capacidade de investigar como o universo funciona. Por outro lado, não podemos realmente criar experiências para obter respostas rápidas; temos que esperar que o universo nos mostre seus segredos".

Fonte: nasa.gov