Explosões de raios-X são liberações altamente energéticas de radiação das superfícies de estrelas de nêutrons, desencadeada pela queima explosiva de material acumulado na superfície. É o mesmo tipo de queima que acontece nos núcleos de estrelas comuns como o sol, mas neste caso, acontecendo na superfície. Assim, ao contrário do sol, onde leva centenas de milhares de anos para essa radiação escapar - e em uma forma muito mais fraca - isso acontece quase que instantaneamente em uma explosão de raios-X. Isso significa que qualquer coisa ao redor da estrela de nêutrons será explodida com radiação.

Uma coisa que sabemos com certeza que cerca muitas estrelas de nêutrons é um disco de acreção, uma coleção rodopiante de plasma preso no campo gravitacional da estrela. Novos instrumentos de raio-X, como a missão NICER a bordo da Estação Espacial Internacional, deram aos astrônomos as ferramentas para estudar detalhadamente essas explosões de raios-X e seus efeitos no ambiente.

Uma das razões pelas quais as estrelas de nêutrons são tão importantes para os astrofísicos é que elas representam o estado mais denso da matéria em nosso universo. Compreender como a matéria se comporta nessas condições é um passo importante para desvendar os mistérios da física subatômica e da gravidade extrema. Compreendendo estrelas de nêutrons, no entanto, requer a compreensão da radiação que recebemos deles, e isso significa contribuições da própria estrela de nêutrons e do disco circundante.

É aí que uma nova pesquisa do professor de física e astronomia do College of Charleston, Chris Fragile, e seus alunos entram em ação. O grupo de Fragile realizou simulações de computador estudando as interações de rajadas de raios-X com discos de acreção. Como Fragile descreve, "Basicamente, podemos modelar em um computador, com fidelidade razoavelmente alta, o que está acontecendo nesses sistemas. Isso nos permite fazer algo como um experimento científico tradicional sem os perigos inerentes de ter uma estrela de nêutrons em nosso laboratório. "

Múltiplas simulações de tais interações burst-disk foram realizadas usando recursos no campus da College of Charleston e por meio de uma alocação de supercomputação XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment). A partir dessas simulações, muitos resultados notáveis ​​foram descobertos, mais notavelmente, uma perturbação significativa das partes internas do disco de acreção. Vários dos efeitos revelados nas simulações parecem corresponder às evidências observacionais de discos interrompidos vistos por telescópios de raios-X nos últimos 15 anos.

"Fiquei muito animado para ver esses resultados, "diz o professor de física David Ballantyne da Georgia Tech, um colaborador neste trabalho. "Venho estudando esses sistemas há mais de uma década, tentando entender o que os dados nos dizem sobre como esses discos respondem a bursts. Os detalhes revelados por essas simulações abrem uma maneira totalmente nova de estudar a física dos discos de acreção. "

Ver o disco sendo interrompido pelo burst e depois voltando quando o burst enfraquece fornece um método para estudar os processos internos que fazem com que o acúmulo funcione.

"Gosto de dizer que estamos dando um chute no disco e vendo o que acontece, "explica Ballantyne." Ver a rapidez com que um disco responde a um impulso tão forte nos permite examinar seu interior. É semelhante a como os cientistas usam terremotos para aprender sobre o interior da Terra. "

Trabalhos futuros devem permitir a Ballantyne discernir quais seriam as assinaturas radiativas desses resultados e fazer previsões para observações futuras. Desta maneira, a equipe espera ser capaz de fazer a engenharia reversa do que está acontecendo em sistemas reais de estrelas de nêutrons e discos de acreção.

Os resultados deste trabalho foram publicados no dia 6 de janeiro 2020, emissão de Astronomia da Natureza . Autores incluem Fragile, Ballantyne e o estudante Aidan Blankenship do College of Charleston.