Os cientistas descobriram algo incrível.

Em um aglomerado de algumas das estrelas mais massivas e luminosas de nossa galáxia, por volta de 5, 000 anos-luz da Terra, astrônomos detectaram partículas sendo aceleradas por uma estrela de nêutrons em rotação rápida ao passar pela estrela massiva que orbita apenas uma vez a cada 50 anos.

A descoberta é extremamente rara, de acordo com o astrofísico Jamie Holder da University of Delaware e o estudante de doutorado Tyler Williamson, que fizeram parte da equipe internacional que documentou a ocorrência.

Holder chamou esse par excêntrico de estrelas gravitacionalmente ligadas de "sistema binário de raios gama" e comparou o evento único na vida à chegada do cometa de Halley ou ao eclipse solar dos EUA no ano passado.

Estrelas enormes estão entre as estrelas mais brilhantes de nossa galáxia. Estrelas de nêutrons são estrelas extremamente densas e energéticas que resultam da explosão de uma estrela massiva.

Este sistema binário é uma estrela massiva com uma estrela de nêutrons orbitando ao seu redor. Dos 100 bilhões de estrelas em nossa galáxia, menos de 10 são conhecidos por serem este tipo de sistema.

Ainda menos - apenas dois sistemas, incluindo este - são conhecidos por ter uma estrela de nêutrons identificada, ou pulsar, que emite pulsos de ondas de rádio que os cientistas podem medir. Isso é importante porque diz aos astrônomos com muita precisão quanta energia está disponível para acelerar as partículas, algo sobre o qual os cientistas sabem pouco.

"Você não poderia pedir um laboratório natural melhor para estudar a aceleração de partículas em um ambiente em constante mudança - com energias muito além de qualquer coisa que possamos produzir na Terra, "Disse Holder, um professor do Departamento de Física e Astronomia da UD.

O projeto foi liderado por uma equipe de cientistas, incluindo Holder e Williamson, usando o conjunto de telescópios VERITAS no Observatório Fred Lawrence Whipple no Arizona, em colaboração com cientistas que usam os telescópios MAGIC no Observatório Roque de los Muchachos localizado em La Palma, uma ilha das Ilhas Canárias, Espanha. (VERITAS significa Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System e MAGIC significa Major Atmospheric Gamma Imaging Telescope Telescopes.)

Os pesquisadores relataram recentemente suas descobertas no Astrophysical Journal Letters.

Esperando por fogos de artifício

A pergunta natural, para muitas mentes, é por que os cientistas se preocupam com as partículas aceleradas?

"Porque nossa galáxia está cheia deles. Nós os chamamos de raios cósmicos e eles carregam tanta energia quanto a luz de todas as estrelas, "disse Holder.

Os astrônomos descobriram há mais de 100 anos que existem partículas aceleradas, no entanto, como ou onde essas partículas se aceleram permanece um mistério. Os pulsares estão entre os objetos mais extremos do universo e têm campos magnéticos ao seu redor milhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa que os cientistas possam esperar construir na Terra. Quando um pulsar encontra poeira ou gás perto de uma estrela massiva, as partículas próximas aceleram - a velocidades próximas às da luz - e colidem com o que está ao seu redor. O resultado é um feixe de luz de alta energia denominado radiação gama ou raios gama.

Telescópios sofisticados, como os operados pela VERITAS e MAGIC, pode detectar esses raios gama porque eles emitem um flash de luz azul quando atingem a atmosfera da Terra. Embora nossos olhos não possam ver esses flashes de luz porque eles são muito rápidos, apenas nanossegundos de duração, esses telescópios podem.

Experiência de doutorado única na vida

Os astrônomos descobriram os primeiros raios gama vindos do pulsar neste par incomum de estrelas em 2008. Sobre o tamanho de Newark, Delaware, o pulsar está girando como o anexo de um liquidificador de cozinha, emitindo pequenos pulsos de raios gama e ondas de rádio a cada rotação.

Medindo essas frequências de pulso de rádio, os astrônomos foram capazes de dizer quão rápido o pulsar estava se movendo e calcular exatamente quando ele estaria mais próximo da estrela massiva que orbita - novembro. 13, 2017. É uma viagem que durou 50 anos.

As equipes VERITAS e MAGIC começaram a monitorar o céu noturno e rastrear a órbita do pulsar em setembro de 2016. No início, eles nem tinham certeza se veriam alguma coisa. Mas em setembro de 2017, os astrônomos começaram a detectar um rápido aumento no número de raios gama que atingem o topo da atmosfera terrestre.

Enquanto monitoravam os dados provenientes dos telescópios VERITAS, Holder e Williamson perceberam que o pulsar estava fazendo algo diferente a cada dia.

"Eu acordava todas as manhãs para verificar se tínhamos novos dados, em seguida, analise-o o mais rápido que puder, porque havia momentos em que o número de raios gama que estávamos vendo mudava rapidamente ao longo de um ou dois dias, "disse Williamson, um aluno de doutorado do quarto ano.

Durante a aproximação mais próxima entre a estrela e o pulsar em novembro de 2017, Williamson notou que os telescópios VERITAS haviam - durante a noite - registrado dez vezes o número de raios gama detectados apenas alguns dias antes.

"Verifiquei tudo antes de enviar os dados aos nossos colaboradores, "Williamson disse." Então, um de nossos parceiros, Ralph Bird na UCLA, confirmou que obteve os mesmos resultados; isso foi emocionante. "

Ainda mais interessante - esses dados observacionais não correspondiam ao que os modelos preditivos haviam previsto.

De um modo geral, Holder disse, modelos existentes previram que, à medida que o pulsar se aproximava da estrela massiva que estava orbitando, o número de raios gama produzidos iria acelerar lentamente, experimentam alguma volatilidade e então decaem lentamente com o tempo.

"Mas nossos dados registrados mostraram um grande aumento no número de raios gama, "Holder disse." Isso nos diz que precisamos revisar os modelos de como essa aceleração de partículas está acontecendo. "

O que mais, de acordo com Holder, enquanto os astrofísicos esperavam que o telescópio espacial de raios gama Fermi da National Aeronautics and Space Administration (NASA) registrasse esses raios gama, isso não aconteceu. Holder disse que a razão para isso não é clara, mas isso é parte do que torna os resultados do VERITAS tão interessantes.

Os astrofísicos querem aprender exatamente quais partículas estão sendo aceleradas, e quais processos os estão levando a essas velocidades extremas, para entender mais sobre o Universo. Holder disse que, embora os sistemas binários de raios gama provavelmente não acelerem uma grande parte das partículas em nossa galáxia, eles permitem que os cientistas estudem o tipo de mecanismo de aceleração que poderia produzi-los.

Traçando um futuro promissor

Os astrônomos não serão capazes de ver este sistema binário em funcionamento novamente até 2067, quando as duas estrelas estão mais uma vez próximas. Até então, Williamson brincou que ele só poderia ser um professor emérito com tempo nas mãos.

No momento, Williamson não está preocupado em ficar sem coisas para fazer. Ele passou três meses no observatório baseado no Arizona no início deste ano, fazendo medições, realizar manutenção de hardware e conceber um controle remoto para permitir que os pesquisadores liguem as câmeras do telescópio a partir de um computador dentro de uma sala de controle.

"Foi uma grande oportunidade de passar um tempo prático com os telescópios e conhecer o instrumento, "disse Williamson.

Daqui para frente, ele vai passar o restante de seus estudos de doutorado vasculhando e analisando em maiores detalhes as quase 175 horas de dados que os telescópios VERITAS coletaram em 2016 e 2017.

"Tyler é, sem duvida, o estudante de pós-graduação mais sortudo que já conheci porque este evento que acontece apenas uma vez a cada 50 anos - uma das coisas mais emocionantes que vimos com nossos telescópios em uma década - ocorreu bem no meio de seu trabalho de doutorado, "disse Holder.