'Estranho binário': Astrônomos descobrem um pulsar e uma estrela de hélio orbitando um ao outro

Apenas algumas dezenas desses binários de vida curta existem na galáxia por vez, o que torna essa descoberta fortuita extremamente valiosa.

Um pulsar (à esquerda) extrai material de sua estrela companheira nesta representação artística. Crédito: NASA 

Astrônomos avistaram uma rara dupla cósmica: uma estrela de nêutrons que gira quase cem vezes por segundo, presa em uma órbita ultraestreita com uma estrela semi-fragmentada. Os cientistas que encontraram a dupla dizem que uma dessas estrelas engoliu a outra inteira e depois a cuspiu de volta. 

É a primeira descoberta de um pulsar de milissegundos com uma estrela de hélio como companheira – um tipo de sistema há muito previsto por algumas teorias, mas nunca observado até agora. Pulsares são estrelas de nêutrons que emitem feixes de radiação de seus polos; à medida que giram, esses feixes varrem a Terra, sendo registrados como breves piscadas por radiotelescópios. Pulsares de milissegundos, especificamente, são pulsares que giram centenas de vezes por segundo. 

"Não é possível obter uma estrela como a companheira a partir da evolução normal", diz JinLin Han, professor da Academia Chinesa de Ciências, que liderou o estudo publicado na Science em maio. "É um binário estranho e teria sido difícil de se formar."

Este exótico sistema estelar foi descoberto em uma pesquisa realizada pelo Radiotelescópio Esférico de Abertura de Quinhentos Metros (FAST) da China, o maior radiotelescópio de antena única do mundo. A equipe de Han encontrou o pulsar, designado PSR J1928+1815, em maio de 2020 e o observou novamente no final daquele ano. 

O acompanhamento revelou que ele orbita um companheiro muito próximo, separado por aproximadamente a mesma distância que o Sol está da borda externa do cinturão de asteroides. Mas enquanto objetos no cinturão principal normalmente levam vários anos para orbitar o Sol, o pulsar recém-descoberto orbita seu companheiro em apenas 3,6 horas.

Um abraço cósmico apertado

Han diz que o sistema binário surgiu como duas estrelas regulares orbitando uma à outra – nada incomum em nossa galáxia, onde a maioria das estrelas faz parte de um sistema binário. Mas as estrelas evoluem; à medida que cada membro de um sistema binário queima seu combustível nuclear, ele passa por mudanças que podem afetar seu parceiro.

Neste caso, a estrela mais pesada do par consumiu seu combustível mais rapidamente e explodiu em uma supernova, e o núcleo restante foi esmagado para formar uma estrela de nêutrons. Enquanto isso, a estrela mais leve envelheceu um pouco mais lentamente, inchando gradualmente.

Como as duas estavam próximas, a estrela de nêutrons começou a sugar material de sua companheira, acelerando à medida que mais e mais material caía sobre ela. À medida que perdia massa, a gravidade que a mantinha unida enfraquecia, e ela se inflava ainda mais. O processo alterava as órbitas das estrelas, aproximando-as. Isso apenas acelerou o inchaço da estrela companheira – ela ficou tão grande que suas camadas externas engolfaram a estrela de nêutrons.

"E aí vem o problema", diz Han, já que tal sistema é instável. As estrelas estão destinadas a se fundir, formando um único objeto denso, ou explodir.

À medida que a estrela de nêutrons avançava através do gás das camadas externas de sua companheira, o atrito desacelerava sua órbita (embora sua rotação aumentasse constantemente à medida que continuava a abocanhar material). Ela espiralava para dentro, transferindo energia para o gás circundante. Isso, juntamente com o aquecimento por atrito – assim como esfregar as mãos as aquece – ajudou a injetar energia suficiente para explodir as camadas externas da estrela companheira ao longo de cerca de 1.000 anos – um piscar de olhos, em escalas de tempo astronômicas.

O resultado: um spinner muito veloz abraçando firmemente o núcleo em chamas desembrulhado de uma estrela. Com suas camadas externas de hidrogênio removidas, o que resta é principalmente o hélio que a estrela já havia fundido em seu centro.

"Nossa descoberta se baseia nas teorias sobre a formação de sistemas pulsares binários compactos", afirma Zonglin Yang, principal autor do artigo, sobre as descobertas. Cientistas teorizaram que tais sistemas surgem do emparelhamento de uma estrela de nêutrons e uma estrela de hélio. Mas Yang afirma que as estrelas de hélio evoluem desse estágio tão rapidamente – em cerca de 10 milhões de anos, o que é um tempo muito curto em comparação com o restante de suas vidas – que as chances de realmente observar uma com um pulsar são extremamente baixas.

Adicione a isso o fato de que a equipe estima que existam apenas algumas dezenas desses binários em nossa galáxia a qualquer momento, e é ainda mais emocionante que eles tenham identificado um.

Gêmeos ou trigêmeos?

Há um problema potencial com a descoberta.

“Há uma lei física que determina que, se um sistema binário perde mais da metade de sua massa, o sistema se torna desvinculado”, diz Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, que não participou do estudo. Quando a estrela mais massiva explodiu e se tornou uma estrela de nêutrons, Ramirez-Ruiz afirma que isso provavelmente ejetou mais da metade da massa total do par, então as estrelas deveriam ter se afastado. “Como elas teriam permanecido gravitacionalmente ligadas se a companheira fosse significativamente menor é um desafio interessante”, diz ele.

As explosões de supernovas que criam estrelas de nêutrons nem sempre explodem uniformemente, o que pode fazer com que as estrelas de nêutrons se espalhem em direções aleatórias. Nesse caso, Ramirez-Ruiz sugere que o impulso pode ter sido suficiente para enviar a estrela de nêutrons em direção à sua companheira. Isso poderia explicar como o par permaneceu unido. "Há também a possibilidade de que este fosse originalmente um sistema estelar triplo", diz Ramirez-Ruiz, com o pulsar se formando a partir da fusão de duas anãs brancas.

Independentemente de como exatamente o sistema se formou, os cientistas estão ansiosos para estudar o estágio do “envelope comum” (onde uma estrela engole uma estrela de nêutrons) porque é uma parte vital de processos como fusões de estrelas de nêutrons que emitem ondas gravitacionais.

“A história da origem deste sistema é muito interessante, e seu futuro também”, diz Ramirez-Ruiz.

A estrela de hélio pode se expandir e doar ainda mais material para o pulsar, girando-o e emitindo raios X do material capturado. Se o pulsar aquecer seu companheiro, poderá dissolvê-lo. Ou o par pode se aproximar tanto que emite ondas gravitacionais de amplitudes detectáveis ​​– ondulações no espaço-tempo – enquanto orbitam um ao outro. Isso desencadeia um efeito bola de neve, pois a emissão de ondas gravitacionais reduz a energia e o momento angular dos objetos, fazendo com que suas órbitas diminuam – potencialmente tanto que as estrelas se fundirão.

“Essa observação pode nos dizer que envelopes comuns são catalisadores comuns para deixar dois objetos compactos muito próximos um do outro”, diz Ramirez-Ruiz.

A descoberta pode nos ajudar a entender melhor como estrelas binárias interagem, compartilham massa e evoluem para sistemas com estrelas de nêutrons de rotação rápida. Yang afirma que o pulsar está girando ainda mais rápido do que o esperado, levantando novas questões. Estudá-lo com mais detalhes e encontrar outros sistemas semelhantes pode oferecer pistas.

"Nossa equipe descobriu quase 770 novos pulsares", diz Han. "Quero encontrar objetos ainda mais interessantes!" E provavelmente encontrarão – examinar a galáxia com sensibilidade sem precedentes, tanto para pulsares regulares quanto para pulsares de milissegundos, certamente revelará mais objetos estranhos.

Astronomy.com