p Uma equipe de pesquisadores liderada por membros do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) analisou dados coletados anteriormente para inferir a verdadeira natureza de um objeto compacto - encontrado para ser um magnetar giratório, um tipo de estrela de nêutrons com um campo magnético extremamente forte - orbitando dentro do LS 5039, o sistema binário de raios gama mais brilhante da Galáxia. p Incluindo o ex-aluno de pós-graduação Hiroki Yoneda, O cientista sênior Kazuo Makishima e o pesquisador principal Tadayuki Takahashi no Kavli IMPU, a equipe também sugere que o processo de aceleração de partículas conhecido por ocorrer dentro do LS 5039 é causado por interações entre os ventos estelares densos de sua estrela massiva primária, e campos magnéticos ultra-fortes do magnetar rotativo.

p Binários de raios gama são um sistema de estrelas de alta energia e estrelas compactas. Eles foram descobertos recentemente, em 2004, quando as observações de raios gama de energia muito alta na banda teraeletronvolt (TeV) de regiões grandes o suficiente do céu se tornaram possíveis. Quando visto com luz visível, binários de raios gama aparecem como estrelas branco-azuladas brilhantes, e são indistinguíveis de qualquer outro sistema binário que hospede uma estrela massiva. Contudo, quando observado com raios-X e raios gama, suas propriedades são dramaticamente diferentes daquelas de outros binários. Nessas faixas de energia, sistemas binários comuns são completamente invisíveis, mas binários de raios gama produzem intensa emissão não térmica, e sua intensidade parece aumentar e diminuir de acordo com seus períodos orbitais de vários dias a vários anos.

p Uma vez que os binários de raios gama foram estabelecidos como uma nova classe astrofísica, foi rapidamente reconhecido que um mecanismo de aceleração extremamente eficiente deveria operar neles. Embora a aceleração das partículas TeV exija dezenas de anos em remanescentes de supernova, que são aceleradores cósmicos renomados, binários de raios gama aumentam a energia do elétron além de 1 TeV em apenas dezenas de segundos. Os binários de raios gama podem, portanto, ser considerados um dos aceleradores de partículas mais eficientes do Universo.

p Além disso, alguns binários de raios gama são conhecidos por emitir fortes raios gama com energias de vários megaelétrons volts (MeV). Os raios gama nesta banda são atualmente difíceis de observar; eles foram detectados em apenas cerca de 30 corpos celestes em todo o céu. Mas o fato de que tais binários emitem forte radiação, mesmo nesta faixa de energia, aumenta muito o mistério que os cerca, e indica um processo de aceleração de partículas extremamente eficaz ocorrendo dentro deles.

p Cerca de 10 binários de raios gama foram encontrados na Galáxia até agora - em comparação com mais de 300 binários de raios X que existem. Por que binários de raios gama são tão raros é desconhecido, e, na verdade, qual é a verdadeira natureza do seu mecanismo de aceleração, tem sido um mistério - até agora.

p Por meio de estudos anteriores, já estava claro que um binário de raios gama é geralmente feito de uma estrela primária massiva que pesa 20-30 vezes a massa do Sol, e uma estrela companheira que deve ser compacta, mas não estava claro, em muitos casos, se a estrela compacta é um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. A equipe de pesquisa começou sua tentativa descobrindo qual é geralmente o caso.

p Uma das evidências mais diretas da presença de uma estrela de nêutrons é a detecção de pulsações rápidas periódicas, que estão relacionados com a rotação da estrela de nêutrons. A detecção de tal pulsação a partir de um binário de raios gama quase sem dúvida descarta o cenário do buraco negro.

p Neste projeto, a equipe se concentrou no LS 5039, que foi descoberto em 2005, e ainda manter sua posição como o binário de raios gama mais brilhante na faixa de raios-X e raios gama. De fato, pensava-se que esse binário de raios gama continha uma estrela de nêutrons por causa de seus raios X e radiação gama TeV estáveis. Contudo, até agora, tentativas de detectar tais pulsos foram conduzidas com ondas de rádio e raios X suaves - e porque as ondas de rádio e raios X suaves são afetados pelos ventos estelares da estrela primária, a detecção de tais pulsos periódicos não foi bem-sucedida.

p Desta vez, pela primeira vez, a equipe se concentrou na banda de raios-X rígidos (> 10 keV) e dados de observação do LS 5039 coletados pelo detector de raios X (HXD) a bordo dos telescópios espaciais Suzaku (entre 9 e 15 de setembro, 2007) e NuSTAR (entre 1 e 5 de setembro, 2016) - na verdade, o período de observação de Suzaku de seis dias foi o mais longo até agora usando raios-X duros.

p Ambas as observações, embora separados por nove anos, forneceu evidências de uma estrela de nêutrons no núcleo do LS 5039:o sinal periódico de Suzaku com um período de cerca de 9 segundos. A probabilidade de que esse sinal surja de flutuações estatísticas é de apenas 0,1 por cento. NuSTAR também mostrou um sinal de pulso muito semelhante, embora a significância do pulso fosse menor - os dados NuSTAR, por exemplo, foi apenas provisório. Ao combinar esses resultados, também foi inferido que o período de spin está aumentando 0,001 s a cada ano.

p Com base no período de rotação derivado e na taxa de seu aumento, a equipe descartou os cenários acionados por rotação e acreção, e descobriram que a energia magnética da estrela de nêutrons é a única fonte de energia que pode alimentar o LS 5039. O campo magnético necessário chega a 10 ¹¹ T, que é 3 ordens de magnitude maior do que as estrelas de nêutrons típicas. Este valor é encontrado entre os chamados magnetares, uma subclasse de estrelas de nêutrons que possuem um campo magnético extremamente forte. O período de pulso de 9 segundos é típico de magnetares, e este forte campo magnético impede que o vento estelar da estrela primária seja capturado por uma estrela de nêutrons, o que pode explicar por que o LS 5039 não exibe propriedades semelhantes aos pulsares de raios-X (os pulsares de raios-X geralmente ocorrem em sistemas binários de raios-X, onde os ventos estelares são capturados por sua estrela companheira).

p Interessantemente, os 30 magnetares que foram encontrados até agora foram todos encontrados como estrelas isoladas, portanto, sua existência em binários de raios gama não foi considerada uma ideia convencional. Além dessa nova hipótese, a equipe sugere uma fonte que alimenta a emissão não térmica dentro do LS 5039 - eles propõem que a emissão é causada por uma interação entre os campos magnéticos do magnetar e os ventos estelares densos. De fato, seus cálculos sugerem que os raios gama com energias de vários megaeletronvolts, o que não está claro, podem ser fortemente emitidos se forem produzidos em uma região de um campo magnético extremamente forte, perto de um magnetar.

p Esses resultados potencialmente resolvem o mistério quanto à natureza do objeto compacto dentro do LS 5039, e o mecanismo subjacente que alimenta o sistema binário. Contudo, observações adicionais e refinamento de suas pesquisas são necessários para lançar uma nova luz sobre suas descobertas.