O intrigante sistema conhecido como 4U 1916-053 contém duas estrelas em uma órbita notavelmente próxima. Um é o núcleo de uma estrela que teve suas camadas externas arrancadas, deixando uma estrela que é muito mais densa que o sol. A outra é uma estrela de nêutrons, um objeto ainda mais denso criado quando uma estrela massiva colapsa em uma explosão de supernova. A estrela de nêutrons (cinza) é mostrada na impressão deste artista no centro de um disco de gás quente afastado de sua companheira (estrela branca à esquerda). Crédito:Spectrum:NASA / CXC / University of Michigan / N. Trueba et al .; Ilustração:NASA / CXC / M. Weiss
O que Albert Einstein, o Sistema de Posicionamento Global (GPS), e um par de estrelas 200, 000 trilhões de milhas da Terra têm em comum?
A resposta é um efeito da Teoria Geral da Relatividade de Einstein, chamado de "desvio para o vermelho gravitacional, "onde a luz é desviada para cores mais vermelhas por causa da gravidade. Usando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA, astrônomos descobriram o fenômeno em duas estrelas orbitando uma a outra em nossa galáxia cerca de 29, 000 anos-luz (200, 000 trilhões de milhas) de distância da Terra. Embora essas estrelas estejam muito distantes, redshifts gravitacionais têm impactos tangíveis na vida moderna, como cientistas e engenheiros devem levá-los em consideração para permitir posições precisas para GPS.
Embora os cientistas tenham encontrado evidências incontestáveis de desvios para o vermelho gravitacionais em nosso sistema solar, tem sido um desafio observá-los em objetos mais distantes no espaço. Os novos resultados do Chandra fornecem evidências convincentes de efeitos de desvio para o vermelho gravitacional em jogo em um novo cenário cósmico.
O intrigante sistema conhecido como 4U 1916-053 contém duas estrelas em uma órbita notavelmente próxima. Um é o núcleo de uma estrela que teve suas camadas externas arrancadas, deixando uma estrela que é muito mais densa que o sol. A outra é uma estrela de nêutrons, um objeto ainda mais denso criado quando uma estrela massiva colapsa em uma explosão de supernova. A estrela de nêutrons (cinza) é mostrada na impressão deste artista no centro de um disco de gás quente afastado de sua companheira (estrela branca à esquerda).
Essas duas estrelas compactas têm apenas cerca de 215, 000 milhas de distância, aproximadamente a distância entre a Terra e a Lua. Enquanto a Lua orbita nosso planeta uma vez por mês, a densa estrela companheira em 4U 1916-053 gira em torno da estrela de nêutrons e completa uma órbita completa em apenas 50 minutos.
No novo trabalho em 4U 1916-053, a equipe analisou os espectros de raios-X, ou seja, a quantidade de raios-X em diferentes comprimentos de onda - do Chandra. Eles encontraram a assinatura característica da absorção da luz de raios-X pelo ferro e silício nos espectros. Em três observações separadas com Chandra, os dados mostram uma queda acentuada na quantidade detectada de raios-X perto dos comprimentos de onda onde se espera que os átomos de ferro ou silício absorvam os raios-X. Um dos espectros mostrando a absorção pelo ferro - as depressões à esquerda e à direita - está incluído no gráfico principal. Um gráfico adicional mostra um espectro com absorção pelo silício. Em ambos os espectros, os dados são mostrados em cinza e um modelo de computador em vermelho.
Contudo, os comprimentos de onda dessas assinaturas características de ferro e silício foram deslocados para mais longos, ou comprimentos de onda mais vermelhos em comparação com os valores de laboratório encontrados aqui na Terra (mostrado com o azul, linha vertical para cada assinatura de absorção). Os pesquisadores descobriram que a mudança das características de absorção foi a mesma em cada uma das três observações do Chandra, e que era muito grande para ser explicado por um movimento para longe de nós. Em vez disso, eles concluíram que era causado pelo desvio para o vermelho gravitacional.
Como isso se conecta com a relatividade geral e o GPS? Conforme previsto pela teoria de Einstein, relógios sob a força da gravidade funcionam a uma taxa mais lenta do que os relógios vistos de uma região distante com gravidade mais fraca. Isso significa que os relógios na Terra observados em satélites em órbita funcionam a uma taxa mais lenta. Para ter a alta precisão necessária para GPS, esse efeito precisa ser levado em consideração ou haverá pequenas diferenças de tempo que se acumulariam rapidamente, calcular posições imprecisas.
Todos os tipos de luz, incluindo raios X, também são afetados pela gravidade. Uma analogia é a de uma pessoa subindo uma escada rolante que está descendo. Enquanto eles fazem isso, a pessoa perde mais energia do que se a escada rolante estivesse parada ou subindo. A força da gravidade tem um efeito semelhante na luz, onde uma perda de energia dá uma frequência mais baixa. Porque a luz no vácuo sempre viaja na mesma velocidade, a perda de energia e menor frequência significa que a luz, incluindo as assinaturas de ferro e silício, mudar para comprimentos de onda mais longos.
Esta é a primeira evidência forte de assinaturas de absorção sendo deslocadas para comprimentos de onda mais longos pela gravidade em um par de estrelas que possui uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Fortes evidências de desvios para o vermelho gravitacionais na absorção foram observadas anteriormente na superfície das anãs brancas, com mudanças de comprimento de onda tipicamente apenas cerca de 15% daquele para 4U 1916-053.
Cientistas usando dados do Chandra encontraram evidências de um efeito previsto por Einstein, chamado de deslocamento para o vermelho gravitacional, em um par de estrelas em órbita na Galáxia. Anteriormente, astrônomos encontraram evidências incontestáveis para este fenômeno em nosso Sistema Solar, mas tem sido um desafio observá-lo em objetos mais distantes. Os dados do Chandra mostram esse efeito no espectro, ou quantidades de raios-X em comprimentos de onda de 4U 1916-053. Mudanças nas assinaturas de ferro e silício são vistas. Este sistema contém uma estrela de nêutrons e uma estrela companheira em uma órbita notavelmente próxima. Crédito:NASA / CXC / Universidade de Michigan / N. Trueba et al.
Os cientistas dizem que é provável que uma atmosfera gasosa cobrindo o disco perto da estrela de nêutrons (mostrada em azul) absorveu os raios-X, produzindo esses resultados. (Esta atmosfera não está relacionada com a protuberância de gás vermelho na parte externa do disco que bloqueia a luz da parte interna do disco uma vez por órbita.) O tamanho da mudança no espectro permitiu à equipe calcular a que distância esta atmosfera está longe da estrela de nêutrons, usando a relatividade geral e assumindo uma massa padrão para a estrela de nêutrons. Eles descobriram que a atmosfera está localizada 1, 500 milhas da estrela de nêutrons, cerca de metade da distância de Los Angeles a Nova York e equivalente a apenas 0,7% da distância da estrela de nêutrons à companheira. Provavelmente se estende por várias centenas de milhas da estrela de nêutrons.
Em dois dos três espectros, também há evidências de assinaturas de absorção que foram alteradas para comprimentos de onda ainda mais vermelhos, correspondendo a uma distância de apenas 0,04% da distância da estrela de nêutrons à companheira. Contudo, essas assinaturas são detectadas com menos confiança do que aquelas mais distantes da estrela de nêutrons.
Os cientistas receberam mais tempo de observação Chandra no próximo ano para estudar este sistema em mais detalhes.
Um artigo descrevendo esses resultados foi publicado em 10 de agosto, Edição de 2020 da Astrophysical Journal .
