Cientistas obtêm uma primeira visão da região mais interna de um sistema de anãs brancas.

 A cerca de 200 anos-luz da Terra, o núcleo de uma estrela morta orbita uma estrela maior numa dança cósmica macabra. A estrela morta é um tipo de anã branca que exerce um poderoso campo magnético enquanto atrai material da estrela maior para um disco giratório em processo de acreção.

Uma estrela anã branca menor (à esquerda) atrai material de uma estrela maior para um disco de acreção giratório. O par é chamado de "polar intermediário", e astrônomos do MIT usaram telescópios poderosos para medir a polarização de raios X do sistema pela primeira vez, revelando características importantes no centro de suas regiões mais quentes e extremas. Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT

O par espiralado é o que se conhece como um "polar intermediário" — um tipo de sistema estelar que emite um padrão complexo de radiação intensa, incluindo raios X, à medida que o gás da estrela maior cai sobre a outra. Agora, astrônomos do MIT usaram um telescópio de raios X no espaço para identificar características importantes na região mais interna do sistema — um ambiente extremamente energético que era inacessível à maioria dos telescópios até então. 

Em um estudo de acesso aberto publicado no Astrophysical Journal , a equipe relata o uso do Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) da NASA para observar a estrela polar intermediária, conhecida como EX Hydrae. 

A equipe descobriu um grau surpreendentemente alto de polarização de raios X, que descreve a direção do campo elétrico de uma onda de raios X, bem como uma direção inesperada de polarização nos raios X provenientes de EX Hydrae. A partir dessas medições, os pesquisadores rastrearam os raios X até sua fonte na região mais interna do sistema, próxima à superfície da anã branca.

Além disso, eles determinaram que os raios X do sistema eram emitidos por uma coluna de material incandescente que a anã branca estava atraindo de sua estrela companheira.

Eles estimam que essa coluna tenha cerca de 3.200 quilômetros de altura — aproximadamente metade do raio da própria anã branca e muito mais alta do que os físicos previam para um sistema desse tipo. Eles também determinaram que os raios X são refletidos pela superfície da anã branca antes de se dispersarem no espaço — um efeito que os físicos suspeitavam, mas não haviam confirmado até então.

Os resultados da equipe demonstram que a polarimetria de raios X pode ser uma maneira eficaz de estudar ambientes estelares extremos, como as regiões mais energéticas de uma anã branca em acreção.

"Mostramos que a polarimetria de raios X pode ser usada para fazer medições detalhadas da geometria de acreção da anã branca", diz Sean Gunderson, pós-doutorando no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT e principal autor do estudo. "Isso abre caminho para a possibilidade de fazer medições semelhantes em outros tipos de anãs brancas em acreção que também nunca apresentaram sinais de polarização de raios X previstos."

Os coautores de Gunderson no MIT Kavli incluem a estudante de pós-graduação Swati Ravi e os cientistas pesquisadores Herman Marshall e David Huenemoerder, juntamente com Dustin Swarm, da Universidade de Iowa, Richard Ignace, da Universidade Estadual do Leste do Tennessee, Yael Nazé, da Universidade de Liège, e Pragati Pradhan, da Universidade Aeronáutica Embry-Riddle.

Uma fonte de alta energia

Todas as formas de luz, incluindo os raios X, são influenciadas por campos elétricos e magnéticos. A luz se propaga em ondas que oscilam em ângulos retos em relação à direção de propagação.

Campos elétricos e magnéticos externos podem direcionar essas oscilações em direções aleatórias. Mas quando a luz interage e reflete em uma superfície, ela pode se polarizar, o que significa que suas vibrações se concentram em uma direção específica. A luz polarizada, portanto, pode ser uma forma de os cientistas rastrearem a fonte da luz e discernirem alguns detalhes sobre a geometria dessa fonte.

O observatório espacial IXPE é a primeira missão da NASA projetada para estudar raios X polarizados emitidos por objetos astrofísicos extremos. A espaçonave, lançada em 2021, orbita a Terra e registra esses raios X polarizados. Desde o lançamento, seu foco principal tem sido o estudo de supernovas, buracos negros e estrelas de nêutrons.

O novo estudo do MIT é o primeiro a usar o IXPE para medir raios X polarizados de um sistema polar intermediário — um sistema menor em comparação com buracos negros e supernovas, mas que, no entanto, é conhecido por ser um forte emissor de raios X.

"Começamos a discutir quanta polarização seria útil para termos uma ideia do que está acontecendo nesses tipos de sistemas, que a maioria dos telescópios vê apenas como um ponto em seu campo de visão", diz Marshall.

Uma anã branca polar intermediária recebe esse nome devido à intensidade do campo magnético da anã branca central. Quando esse campo é forte, o material da estrela companheira é atraído diretamente para os polos magnéticos da anã branca. Quando o campo é muito fraco, o material estelar, em vez disso, gira em torno da anã em um disco de acreção que eventualmente deposita matéria diretamente na superfície da anã.

No caso de uma anã branca polar intermediária, os físicos preveem que o material deve cair em um padrão complexo, formando um disco de acreção que também é atraído em direção aos polos da anã branca.

O campo magnético deve elevar o disco de material que chega muito acima, como uma fonte de alta energia, antes que os detritos estelares caiam em direção aos polos magnéticos da anã branca, a velocidades de milhões de quilômetros por hora, no que os astrônomos chamam de "cortina de acreção".

Os físicos suspeitam que esse material em queda colida com material previamente elevado que ainda está caindo em direção aos polos, criando uma espécie de congestionamento de gás. Esse acúmulo de matéria forma uma coluna de gás em colisão a dezenas de milhões de graus Fahrenheit e deve emitir raios X de alta energia.

Uma imagem íntima

Ao medir os raios X polarizados emitidos pelo EX Hydrae, a equipe pretendia testar a hipótese de polarizadores intermediários formulada pelos físicos. Em janeiro de 2025, o IXPE coletou um total de aproximadamente 600.000 segundos, ou cerca de sete dias, de medições de raios X do sistema.

"Com cada raio-X proveniente da fonte, é possível medir a direção da polarização", explica Marshall. "Coleta-se uma grande quantidade desses raios, todos em ângulos e direções diferentes, que podem ser calculados em média para se obter um grau e uma direção de polarização preferenciais."

Suas medições revelaram um grau de polarização de 8%, muito superior ao previsto por alguns modelos teóricos. A partir daí, os pesquisadores puderam confirmar que os raios X de fato provinham da coluna do sistema e que essa coluna tinha cerca de 3.200 quilômetros de altura.

"Se você pudesse ficar relativamente perto do polo da anã branca, veria uma coluna de gás estendendo-se por 3.200 quilômetros no céu e, em seguida, se expandindo para fora", diz Gunderson.

A equipe também mediu a direção da polarização dos raios X de EX Hydrae, que determinaram ser perpendicular à coluna de gás incidente da anã branca. Isso indicava que os raios X emitidos pela coluna estavam sendo refletidos pela superfície da anã branca antes de viajarem para o espaço e, eventualmente, chegarem aos telescópios do IXPE.

"O que é útil na polarização de raios X é que ela nos dá uma imagem da porção mais interna e mais energética de todo esse sistema", diz Ravi. "Quando olhamos através de outros telescópios, não vemos nenhum desses detalhes."

A equipe planeja aplicar a polarização de raios X para estudar outros sistemas de anãs brancas em acreção, o que poderá ajudar os cientistas a compreender fenômenos cósmicos muito maiores.

"Chega um ponto em que tanta matéria cai sobre a anã branca vinda de uma estrela companheira que a anã branca não consegue mais suportá-la, todo o sistema colapsa e produz um tipo de supernova observável em todo o universo, que pode ser usada para determinar o tamanho do universo", explica Marshall.

"Assim, compreender esses sistemas de anãs brancas ajuda os cientistas a entender as fontes dessas supernovas e fornece informações sobre a ecologia da galáxia." 

Phys.org