Observações de PSR J1826-1256 - um pulsar silencioso de raios gama - obtido com o observatório de raios X XMM-Newton da ESA. Os cientistas descobriram a emissão pulsada de raios-X a partir desta e de duas fontes semelhantes, usando um modelo teórico que prevê o brilho de raios-X não térmico de um pulsar com base no brilho de raios gama observado. Este pulsar tem um período de 110,2 milissegundos, aparecendo alternativamente mais fraco e mais brilhante conforme seus feixes de radiação apontam para a Terra e para longe dela. Para fins de ilustração, a oscilação do pulsar é mostrada 10 vezes mais lenta do que o real nesta vista animada. Crédito:ESA / XMM-Newton / J. Li, DESY, Alemanha
Com base em um novo modelo teórico, uma equipe de cientistas explorou o rico arquivo de dados dos observatórios espaciais XMM-Newton da ESA e Chandra da NASA para encontrar emissão pulsante de raios-X de três fontes. A descoberta, baseando-se em observações anteriores de raios gama dos pulsares, fornece uma nova ferramenta para investigar os mecanismos misteriosos de emissão de pulsar, o que será importante para entender esses objetos fascinantes e usá-los para navegação espacial no futuro.
Faróis do Universo, pulsares são estrelas de nêutrons de rotação rápida que emitem feixes de radiação. À medida que os pulsares giram e os feixes apontam alternativamente em direção e para longe da Terra, a fonte oscila entre os estados mais brilhante e mais escuro, resultando em um sinal que parece 'pulsar' a cada poucos milissegundos para segundos, com uma regularidade que rivaliza até com os relógios atômicos.
Pulsares são incrivelmente densos, extremamente magnético, relíquias de estrelas massivas, e estão entre os objetos mais extremos do Universo. Entender como as partículas se comportam em um campo magnético tão forte é fundamental para entender como a matéria e os campos magnéticos interagem de maneira mais geral.
Detectado originalmente por meio de sua emissão de rádio, agora se sabe que os pulsares também emitem outros tipos de radiação, embora normalmente em quantidades menores. Parte dessa emissão é radiação térmica padrão - o tipo que tudo com uma temperatura acima do zero absoluto emite. Os pulsares liberam radiação térmica quando agregam matéria, por exemplo, de outra estrela.
Mas os pulsares também emitem radiação não térmica, como muitas vezes é produzido nos ambientes cósmicos mais extremos. Em pulsares, a radiação não térmica pode ser criada por meio de dois processos:emissão de síncrotron e emissão de curvatura. Ambos os processos envolvem partículas carregadas sendo aceleradas ao longo das linhas do campo magnético, fazendo-os irradiar luz que pode variar em comprimento de onda de ondas de rádio a raios gama.
Os raios-X não térmicos resultam principalmente da emissão síncrotron, enquanto os raios gama podem vir da chamada emissão de sincrocurvatura - uma combinação dos dois mecanismos. É relativamente fácil encontrar pulsares que irradiam raios gama - o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama da NASA detectou mais de 200 deles na última década, graças à sua capacidade de varrer todo o céu. Mas apenas cerca de 20 pulsam em raios-X não térmicos.
"Ao contrário dos instrumentos de pesquisa de detecção de raios gama, Os telescópios de raios-X devem ser informados exatamente para onde apontar, então precisamos fornecer a eles algum tipo de orientação, "diz Diego Torres, do Instituto de Ciências Espaciais de Barcelona, Espanha.
Ciente de que deve haver muitos pulsares emitindo raios X não térmicos anteriormente não detectados, Torres desenvolveu um modelo que combinava radiação síncrotron e curvatura para prever se pulsares detectados em raios gama também poderiam aparecer em raios-X.
"Os modelos científicos descrevem fenômenos que não podem ser experimentados diretamente, "explica Torres.
"Este modelo em particular ajuda a explicar os processos de emissão em pulsares e pode ser usado para prever a emissão de raios-X que devemos observar, com base na emissão de raios gama conhecida. "
O modelo descreve a emissão de raios gama de pulsares detectados por Fermi - especificamente, o brilho observado em diferentes comprimentos de onda - e combina esta informação com três parâmetros que determinam a emissão do pulsar. Isso permite uma previsão de seu brilho em outros comprimentos de onda, por exemplo, em raios-X.
Emissão de raios-X e raios gama observados de três pulsares:J1747-2958 (esquerda), J2021 + 3651 (centro), e J1826-1256 (direita). A emissão pulsada de raios-X foi descoberta usando um modelo teórico que prevê o brilho de raios-X não térmico de um pulsar com base em seu brilho de raios gama observado. As observações de raios gama são do Telescópio Espacial Fermi Gamma-Ray da NASA; as observações de raios-X são do observatório de raios-X Chandra da NASA (à esquerda e centro) e do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA (à direita). A curva vermelha nos gráficos representa o melhor ajuste do modelo que descreve a emissão geral das fontes em comparação com os dados observados (símbolos pretos). Na linha superior, o ajuste foi realizado usando apenas os dados de raios gama:o valor na faixa de energia de raios-X representa a previsão teórica, o que é muito próximo do que foi posteriormente revelado nas observações. Na linha inferior, o ajuste inclui os dados de raios-X também, fornecer uma descrição mais precisa do fenômeno usando o mesmo modelo. Crédito:Adaptado de J. Li et al. (2018)
Torres fez parceria com uma equipe de cientistas, liderado por Jian Li do Síncrotron Deutsches Elektronen em Zeuthen perto de Berlim, Alemanha, para selecionar três pulsares emissores de raios gama conhecidos que eles esperavam, com base no modelo, para também brilhar intensamente em raios-X. Eles vasculharam os arquivos de dados dos observatórios de raios X XMM-Newton da ESA e Chandra da NASA para procurar evidências de emissão de raios X não térmicos de cada um deles.
"Não apenas detectamos pulsações de raios-X de todos os três pulsares, mas também descobrimos que o espectro de raios-X era quase o mesmo que o previsto pelo modelo, "explica Li.
"Isso significa que o modelo descreve com muita precisão os processos de emissão dentro de um pulsar."
Em particular, Os dados do XMM-Newton mostraram uma clara emissão de raios-X do PSR J1826-1256 - um pulsar de raios gama silencioso com um período de 110,2 milissegundos. O espectro de luz recebido deste pulsar foi muito próximo ao previsto pelo modelo. Emissão de raios-X dos outros dois pulsares, que giram um pouco mais rapidamente, foi revelado usando dados do Chandra.
Essa descoberta já representa um aumento significativo no número total de pulsares que emitem raios X não térmicos. A equipe espera que muitos mais sejam descobertos nos próximos anos, pois o modelo pode ser usado para descobrir onde exatamente procurá-los.
Encontrar mais pulsares de raios-X é importante para revelar suas propriedades globais, incluindo características da população. Uma melhor compreensão dos pulsares também é essencial para o aproveitamento potencial de seus sinais de tempo precisos para futuros empreendimentos de navegação espacial.
O resultado é um passo para a compreensão das relações entre a emissão por pulsares em diferentes partes do espectro eletromagnético, permitindo uma maneira robusta de prever o brilho de um pulsar em qualquer comprimento de onda. Isso nos ajudará a compreender melhor a interação entre partículas e campos magnéticos em pulsares e além.
"Este modelo pode fazer previsões precisas da emissão de raios-X do pulsar, e também pode prever a emissão em outros comprimentos de onda, por exemplo, visível e ultravioleta, "Torres continua.
"No futuro, esperamos encontrar novos pulsares que levem a uma melhor compreensão de suas propriedades globais. "
O estudo destaca os benefícios do vasto arquivo de dados do XMM-Newton para fazer novas descobertas e mostra as habilidades impressionantes da missão de detectar fontes relativamente obscuras. A equipe também está ansiosa para usar a próxima geração de telescópios espaciais de raios-X, incluindo a futura missão Atenas da ESA, para encontrar ainda mais pulsares emitindo raios X não térmicos.
"Como o carro-chefe da astronomia europeia de raios-X, O XMM-Newton está detectando mais fontes de raios-X do que qualquer satélite anterior. É incrível ver que está ajudando a resolver tantos mistérios cósmicos, "conclui Norbert Schartel, Cientista do Projeto XMM-Newton na ESA.
