Um pulsar de viúva negra e seu pequeno companheiro estelar, vistos dentro de seu plano orbital. A radiação poderosa e o “vento” do pulsar - um fluxo de partículas de alta energia - aquecem fortemente o lado oposto da estrela a temperaturas duas vezes mais altas que a superfície do sol. O pulsar está gradualmente evaporando seu parceiro, que preenche o sistema com gás ionizado e evita que os astrônomos detectem o feixe de rádio do pulsar na maior parte do tempo. Crédito:Goddard Space Flight Center da NASA / Cruz deWilde
Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) em Hannover descobriu que o pulsar de rádio J0952-0607 também emite radiação gama pulsada. J0952-0607 gira 707 vezes em um segundo e é o segundo na lista de estrelas de nêutrons de rotação rápida. Ao analisar cerca de 8,5 anos de dados do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA, Observações de rádio LOFAR nos últimos dois anos, observações de dois grandes telescópios ópticos, e dados de ondas gravitacionais dos detectores LIGO, a equipe usou uma abordagem multi-mensageiro para estudar o sistema binário do pulsar e seu companheiro leve em detalhes. Seu estudo foi publicado no Astrophysical Journal mostra que sistemas de pulsar extremos estão escondidos nos catálogos de Fermi e motiva pesquisas futuras. Apesar de ser muito extenso, a análise também levanta novas questões não respondidas sobre este sistema.
Pulsares são os restos compactos de explosões estelares que têm fortes campos magnéticos e giram rapidamente. Eles emitem radiação como um farol cósmico e podem ser observados como pulsares de rádio e / ou pulsares de raios gama, dependendo de sua orientação em direção à Terra.
O pulsar mais rápido fora dos aglomerados globulares
PSR J0952-0607 (o nome indica a posição no céu) foi descoberto pela primeira vez em 2017 por observações de rádio de uma fonte identificada pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi como possivelmente sendo um pulsar. Nenhuma pulsação dos raios gama nos dados do Large Area Telescope (LAT) a bordo do Fermi foi detectada. As observações com o conjunto de radiotelescópio LOFAR identificaram uma fonte de rádio pulsante e - junto com as observações do telescópio óptico - permitiram medir algumas propriedades do pulsar. Ele está orbitando o centro de massa comum em 6,2 horas com uma estrela companheira que pesa apenas um quinquagésimo do nosso sol. O pulsar gira 707 vezes em um único segundo e, portanto, é o mais rápido girando em nossa galáxia fora dos densos ambientes estelares dos aglomerados globulares.
Procurando sinais extremamente fracos
Usando essas informações anteriores sobre o sistema de pulsar binário, Lars Nieder, um Ph.D. estudante da AEI Hannover, para ver se o pulsar também emitia raios gama pulsados. "Esta busca é extremamente desafiadora porque o telescópio Fermi de raios gama registrou apenas o equivalente a cerca de 200 raios gama do pulsar fraco ao longo de 8,5 anos de observações. Durante esse tempo, o próprio pulsar girou 220 bilhões de vezes. Em outras palavras, apenas uma vez em cada bilhão de rotações foi observado um raio gama! ", explica Nieder." Para cada um desses raios gama, a pesquisa deve identificar exatamente quando durante cada uma das rotações de 1,4 milissegundos ela foi emitida. "
Isso requer vasculhar os dados com uma resolução muito fina para não perder nenhum sinal possível. O poder de computação necessário é enorme. A busca muito sensível por leves pulsações de raios gama levaria 24 anos para ser concluída em um único núcleo de computador. Usando o cluster de computador Atlas no AEI Hannover, ele terminou em apenas 2 dias.
Uma primeira detecção estranha
"Nossa busca encontrou um sinal, mas algo estava errado! O sinal estava muito fraco e não exatamente onde deveria estar. O motivo:nossa detecção de raios gama de J0952-0607 revelou um erro de posição nas observações iniciais do telescópio óptico que usamos para direcionar nossa análise. Nossa descoberta das pulsações de raios gama revelou este erro, "explica Nieder." Esse erro foi corrigido na publicação relatando a descoberta do pulsar de rádio. Uma nova e ampliada pesquisa de raios gama fez uma descoberta um tanto tênue - mas estatisticamente significativa - do pulsar de raios gama na posição corrigida. "
Tendo descoberto e confirmado a existência de radiação gama pulsada do pulsar, a equipe voltou aos dados do Fermi e usou os 8,5 anos completos de agosto de 2008 até janeiro de 2017 para determinar os parâmetros físicos do pulsar e seu sistema binário. Como a radiação gama de J0952-0607 era tão fraca, eles tiveram que aprimorar seu método de análise desenvolvido anteriormente para incluir corretamente todas as incógnitas.
O perfil de pulso (distribuição de fótons de raios gama durante uma rotação do pulsar) de J0952-0607 é mostrado na parte superior. Abaixo está a distribuição correspondente dos fótons individuais ao longo dos dez anos de observações. A escala de cinza mostra a probabilidade (pesos dos fótons) de fótons individuais se originarem do pulsar. A partir de meados de 2011, os fótons se alinham ao longo das trilhas correspondentes ao perfil de pulso. Isso mostra a detecção de pulsações de raios gama, o que não é possível antes de meados de 2011. Crédito:L. Nieder / Max Planck Institute for Gravitational Physics
Outra surpresa:sem pulsações de raios gama antes de julho de 2011
A solução derivada continha outra surpresa, porque era impossível detectar pulsações de raios gama do pulsar nos dados anteriores a julho de 2011. O motivo pelo qual o pulsar parece mostrar pulsações apenas após essa data é desconhecido. Variações na quantidade de raios gama emitidos podem ser uma razão, mas o pulsar é tão fraco que não foi possível testar essa hipótese com precisão suficiente. Mudanças na órbita do pulsar vistas em sistemas semelhantes também podem oferecer uma explicação, mas não havia nem mesmo uma dica nos dados de que isso estava acontecendo.
As observações ópticas levantam outras questões
A equipa também utilizou observações com o New Technology Telescope do ESO em La Silla e o Gran Telescopio Canarias em La Palma para examinar a estrela companheira do pulsar. É mais provável que esteja travado de forma maré no pulsar como a Lua na Terra, de modo que um lado sempre fica de frente para o pulsar e é aquecido por sua radiação. Enquanto o companheiro orbita o centro de massa do sistema binário, seu lado quente "dia" e lado "noite" mais frio são visíveis da Terra e o brilho e a cor observados variam.
Essas observações criam outro enigma. Embora as observações de rádio apontem para uma distância de aproximadamente 4, 400 anos-luz para o pulsar, as observações ópticas implicam uma distância cerca de três vezes maior. Se o sistema fosse relativamente próximo da Terra, apresentaria um companheiro de alta densidade extremamente compacto nunca visto antes, enquanto distâncias maiores são compatíveis com as densidades de conhecidos companheiros de pulsar semelhantes. Uma explicação para esta discrepância pode ser a existência de ondas de choque no vento de partículas do pulsar, o que poderia levar a um aquecimento diferente do companheiro. Mais observações de raios gama com as observações do Fermi LAT devem ajudar a responder a essa pergunta.
Em busca de ondas gravitacionais contínuas
Outro grupo de pesquisadores do AEI Hannover pesquisou a emissão de ondas gravitacionais contínuas do pulsar usando dados LIGO da primeira (O1) e da segunda (O2) execução de observação. Os pulsares podem emitir ondas gravitacionais quando têm pequenas colinas ou saliências. A pesquisa não detectou nenhuma onda gravitacional, o que significa que a forma do pulsar deve estar muito próxima de uma esfera perfeita com as saliências mais altas menores que uma fração de milímetro.
Estrelas de nêutrons em rotação rápida
Compreender os pulsares que giram rapidamente é importante porque eles são sondas da física extrema. A velocidade com que as estrelas de nêutrons podem girar antes de se separarem das forças centrífugas é desconhecida e depende de física nuclear desconhecida. Pulsares de milissegundos, como J0952-0607, estão girando tão rapidamente porque foram girados pela agregação de matéria de seu companheiro. Acredita-se que esse processo enterre o campo magnético do pulsar. Com as observações de raios gama de longo prazo, a equipe de pesquisa mostrou que J0952-0607 tem um dos dez menores campos magnéticos já medidos para um pulsar, consistente com as expectativas da teoria.
“Continuaremos estudando este sistema com raios gama, rádio, e observatórios ópticos, uma vez que ainda existem questões sem resposta sobre o assunto. Esta descoberta também mostra mais uma vez que os sistemas de pulsar extremos estão escondidos no catálogo Fermi LAT, "diz o Prof. Bruce Allen, Ph.D. de Nieder supervisor e diretor da AEI Hannover. "Também estamos empregando nosso projeto de computação distribuída de ciência cidadã Einstein @ Home para procurar sistemas de pulsar de raios gama binários em outras fontes Fermi LAT e estamos confiantes em fazer descobertas mais empolgantes no futuro."
