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O telescópio NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA, na Estação Espacial Internacional, detetou um pico repentino de raios-X por volta das 22:04 do dia 20 de agosto. A explosão foi provocada por um enorme flash termonuclear à superfície de um pulsar, os remanescentes esmagados de uma estrela que há muito tempo explodiu como supernova.
O surto de raios-X, o mais brilhante visto até agora pelo NICER, veio de um objeto chamado SAX J1808.4-3658, ou J1808 para abreviar.
As observações revelam muitos fenómenos que nunca foram vistos juntos numa única explosão. Além disso, o surto em diminuição aumentou novamente e brevemente de brilho por razões que os astrónomos ainda não conseguem explicar.
“Esta explosão foi notável,” disse o investigador Peter Bult, astrofísico do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland e da Universidade de Maryland em College Park.
“Vemos uma mudança de brilho em duas etapas, que pensamos ser provocada pela libertação de camadas separadas da superfície do pulsar e outras características que nos ajudarão a descodificar a física destes eventos poderosos.”
A explosão, que os astrónomos classificam como uma explosão de raios-X do Tipo I, libertou tanta energia em 20 segundos quanto o Sol em quase 10 dias. Os detalhes que o NICER capturou desta erupção recorde ajudarão os astrónomos a entender melhor os processos físicos que impulsionam surtos termonucleares deste e de outros pulsares explosivos.
Os pulsares são uma espécie de estrela de neutrões, o núcleo compacto deixado para trás quando uma estrela massiva fica sem combustível, colapsa sob si própria e explode. Os pulsares podem girar rapidamente e hospedar pontos quentes emissores de raios-X nos seus polos magnéticos. À medida que o objeto gira, varre os seus pontos quentes na nossa linha de visão, produzindo pulsos regulares de radiação altamente energética.
J1808 está localizado a mais ou menos 11.000 anos-luz de distância na direção da constelação de Sagitário. Gira 401 vezes por segundo e é membro de um sistema binário. A sua companheira é uma anã castanha, um objeto maior do que um planeta gigante gasoso, mas pequeno demais para ser uma estrela. Um fluxo constante de hidrogénio gasoso flui da companheira para a estrela de neutrões e acumula-se numa vasta estrutura de armazenamento chamada disco de acreção.
O gás nos discos de acreção não se move para dentro facilmente. Mas a cada poucos anos, os discos em redor de pulsares como J1808 tornam-se tão densos que uma grande quantidade de gás é ionizado ou despojado dos seus eletrões. Isto dificulta a movimentação da luz pelo disco. A energia aprisionada inicia um processo descontrolado de aquecimento e ionização que retém ainda mais energia. O gás torna-se mais resistente ao fluxo e começa a espiralar para dentro, caindo finalmente no pulsar.
A “chuva” de hidrogénio até à superfície forma um “mar” global quente e cada vez mais profundo. Na base desta camada, as temperaturas e as pressões aumentam até que os núcleos do hidrogénio se fundem para formar núcleos de hélio, o que produz energia – um processo em funcionamento no núcleo do nosso Sol.
“O hélio acumula-se e cria a sua própria camada,” disse Zaven Arzoumanian, vice-investigador principal do NICER e coautor do artigo. “Quando a camada de hélio tem alguns metros de profundidade, as condições permitem que os núcleos de hélio se fundam em carbono. Então, o hélio entra em erupção explosiva e lança uma bola de fogo termonuclear por toda a superfície do pulsar.”
Limite de Eddington
Os astrónomos empregam um conceito chamado limite de Eddington – em honra ao astrofísico inglês Sir Arthur Eddington – para descrever a intensidade máxima de radiação que uma estrela pode ter antes que a radiação faça com que se expanda. Este ponto depende fortemente da composição do material acima da fonte de emissão.
“O nosso estudo explora este conceito de longa data de uma nova maneira,” disse o coautor Deepto Chakrabarty, professor de física no MIT (Massachusetts Institute of Technology) em Cambridge. “Aparentemente, estamos a ver o limite de Eddington para duas composições diferentes na mesma explosão de raios-X. Esta é uma maneira muito poderosa e direta de acompanhar as reações de queima nuclear subjacentes ao evento.”
Ao início da explosão, os dados do NICER mostram que o brilho dos raios-X diminuiu durante quase um segundo antes de aumentar novamente num ritmo mais lento. Os cientistas interpretam esta “paralisação” como o momento em que a energia se acumulou o suficiente para fazer explodir a camada de hidrogénio do pulsar para o espaço.
A bola de fogo continuou a crescer por mais dois segundos e, em seguida, atingiu o seu pico, explodindo a camada de hélio mais massiva. O hélio expandiu-se mais rapidamente, ultrapassou a camada de hidrogénio antes que pudesse dissipar-se e, em seguida, diminuiu de velocidade, parou e assentou-se à superfície do pulsar. Após esta fase, o pulsar aumentou novamente de brilho, cerca de 20%, mas apenas brevemente, por razões que a equipa ainda não entende.
Durante esta recente atividade de J1808, o NICER detetou outra explosão de raios-X, muito mais fraca, que não exibiu nenhuma das principais características observadas no evento de 20 de agosto. Além de detetar a expansão de diferentes camadas, as observações da explosão pelo NICER revelam raios-X refletidos pelo disco de acreção e registam o piscar das “oscilações de rajada” – sinais de raios-X que aumentam e diminuem na frequência de rotação do pulsar, mas que ocorrem em locais da superfície diferentes dos pontos quentes responsáveis pelos seus pulsos normais de raios-X.
O artigo que descreve estas descobertas foi publicado na revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.
