[사이언스] Pisca uma vez a cada 53 minutos. Qual é a identidade do pulsar “lento”?

[비즈한국] A arte da capa do álbum de estreia da banda de rock britânica Joy Division, “Unknown Pleasures”, é bastante impressionante. É um design único com múltiplas linhas entrelaçadas de padrões curvos escaldantes. Esta é uma cópia dos dados de observação do espectro de rádio emitidos pela primeira estrela de nêutrons descoberta, o pulsar PSR B1919+21. Ele contém uma mensagem explicando que seu mundo musical é tão misterioso quanto um pulsar.

Em 1967, a astrônoma Jocelyn Bell capturou um objeto celestial muito estranho com o Observatório de Radioastronomia Mullard. Pulsos de rádio vinham de um local específico em intervalos regulares e ridiculamente curtos. Um pulso de rádio foi enviado uma vez a cada 1,337 segundos com duração de cerca de 0,04 segundos. Era tão regular que a princípio pensei que não poderia ser um fenômeno normal. De brincadeira, pensei que poderia ser um sinal artificial enviado por um alienígena, então chamei esse sinal de “Little Green Man (LGM)”, que significa Little Green Man.

Infelizmente, a identidade deste pulso de rádio não era estranha. Mas ele era um ser igualmente maravilhoso. Era uma estrela de nêutrons deixada para trás quando uma estrela muito massiva entrou em colapso em uma massa pequena e altamente densa. Quando uma estrela massiva entra em colapso para um tamanho muito pequeno, ela se torna uma estrela de nêutrons girando muito rapidamente. As estrelas de nêutrons produzem fortes campos magnéticos, cujo eixo pode ser ligeiramente inclinado em relação ao eixo de rotação. Estrelas de nêutrons emitem forte energia ao longo de um campo magnético. No entanto, como o eixo de rotação real e o eixo do campo magnético estão ligeiramente inclinados, a direção do jato de energia emitido pela estrela de nêutrons também gira ligeiramente em intervalos regulares. Como um farol com luz giratória. É chamado de pulsar porque é uma estrela que emite ondas de rádio, como sinais de pulso que piscam em intervalos regulares.

Os pulsares são geralmente estrelas de nêutrons que giram muito rapidamente, então o período do sinal de pulsação também é muito curto. Uma estrela de nêutrons leva menos de um segundo para girar. Está aproximadamente no nível de alguns milissegundos. Entre os pulsares descobertos até agora, o pulsar de rotação mais rápida é o PSR J1748-2446, que foi descoberto em 2004. Este pulsar gira a uma velocidade tremenda de 43.000 vezes por minuto. Em termos de RPM, isso significa 43.000 RPM. Atualmente, o supercarro com as rotações mais altas é o T50 de Gordon Murray, que tem uma velocidade de rotação de 12.100 rpm. Uma enorme estrela de nêutrons girando 3 a 4 vezes mais rápido que um supercarro! Dessa forma, no mundo dos pulsares, velocidades muito altas e períodos curtos fazem sentido.

No entanto, os astrônomos descobriram recentemente um pulsar que gira muito lentamente e por muito tempo. O período é tão longo e tão lento que é duvidoso que possa ser considerado um pulsar comum. Surpreendentemente, o período de rotação deste estranho pulsar não é de um segundo ou um minuto, mas de 53 minutos! Ele gira muito devagar, muito devagar, por cerca de uma hora! Qual é a identidade deste pulsar que está girando na velocidade mais lenta de todos os tempos?

O pulsar extremamente lento capturado desta vez foi descoberto por acidente. Originalmente, os astrônomos planejavam observar objetos rápidos no céu noturno, como explosões de raios gama, cujo brilho muda rapidamente. Por ser um fenômeno repentino que brilha e depois desaparece por um breve momento, é fácil não perceber se você perder tempo procurando no lugar errado. Portanto, se possível, é necessário capturar fenômenos que mudam rapidamente, examinando uma grande área do céu de uma só vez.

Os astrônomos usaram o radiotelescópio ASKAP localizado no vasto deserto da Austrália Ocidental. São 36 antenas gigantes em formato de prato, cada uma com 12 metros de comprimento, agrupadas e voltadas para o céu na mesma direção, como se fossem uma só antena. É como um grupo de suricatos juntos no deserto e olhando na mesma direção. Usando este telescópio, você pode examinar uma enorme área do céu que pode ser coberta por 150 luas cheias, ou uma área de 30 graus quadrados. Com isso, os astrônomos observaram o amplo céu por um total de seis horas em 15 de outubro de 2022 e monitoraram se houve mudanças rápidas no brilho ou na localização.

No entanto, um fenômeno estranho e completamente inesperado foi revelado. Pulsos de raios gama com duração de 10 a 50 segundos vinham repetidamente da estrela ASKAP J1935+2148, que fica a 16.000 anos-luz de distância, uma vez a cada 3.225 segundos. Um pulso que se repete em intervalos de 3.225 segundos significa que o pulso se repete muito lentamente, uma vez a cada 53 minutos! Olhando para a forma espectral desta estrela misteriosa observada desta vez, parece claramente ser um pulsar típico. Exceto que o ciclo não dura apenas alguns milissegundos ou um segundo, é um ciclo muito lento de 53 minutos.

A partir desta observação, os astrónomos determinaram que ASKAP J1935+2148 contém uma mistura de três tipos ligeiramente diferentes de formas de pulsação. Primeiramente, foram identificados um total de 15 sinais de pulso, com a intensidade mais forte durando de 10 a 15 segundos. Depois disso, há um sinal de pulso muito mais fraco, cerca de 26 vezes mais forte. Este sinal fraco é emitido por um curto período de cerca de 370 ms e foi detectado duas vezes durante todo o período de monitoramento. Finalmente, houve casos mistos em que não houve sinal de pulso claro. Isto mostra uma forma muito complexa na qual sinais de pulso de diferentes durações e intensidades são emitidos em intervalos de cerca de 53 minutos.

Então, qual é a identidade deste pulsar mais lento de todos os tempos? Como explicamos anteriormente, não pode ser entendido como um pulsar conhecido criado pela rápida rotação de uma estrela de nêutrons em colapso. O pulsar de nêutrons, que gira na velocidade mais lenta já descoberta, tem um período de apenas 76 segundos. Equivale a completar um ciclo num período muito curto de tempo, pouco mais de um minuto. Em comparação, o período de rotação do pulsar lento recém-descoberto é de 53 minutos. (Não são 53 segundos!) Para explicar os sinais pulsantes emitidos neste período incrivelmente lento, podemos pensar em uma maneira ligeiramente diferente de pensar sobre os pulsares. Existe a possibilidade de que a anã branca, e não a estrela de nêutrons, possa se tornar um pulsar.

Para uma comparação simples, as anãs brancas podem ser consideradas um caso um pouco menos extremo de estrelas de nêutrons. Quando uma estrela de massa relativamente mais leve completa a fusão nuclear e morre, o material externo explode, deixando para trás um núcleo de alta densidade no centro. Como a fusão nuclear não é mais possível, não é possível criar nova energia e o calor remanescente imediatamente após a explosão esfria gradualmente. A massa anã de detritos deixada para trás dessa forma, com sua temperatura superficial quente e tamanho pequeno, é chamada de anã branca. Uma estrela de nêutrons pode ser considerada uma massa extremamente densa de detritos deixada para trás quando uma estrela muito maior entra em colapso.

Na verdade, em 2016, os astrônomos confirmaram que pulsos de rádio emitidos em intervalos regulares podem ser observados não apenas em estrelas de nêutrons, mas também em anãs brancas. AR Scorpii, uma estrela localizada a 380 anos-luz de distância na direção da constelação de Escorpião, é uma estrela binária em torno da qual orbitam uma gigante vermelha e uma anã branca. Aqui, os astrônomos capturaram sinais de pulso de rádio emitidos em intervalos regulares de cerca de 1,97 minutos. É claro que o período ainda é mais curto do que o pulsar extremamente lento descoberto desta vez, de 53 minutos, mas pode ser considerado muito lento em comparação com os pulsares de estrelas de nêutrons existentes que giram na escala de vários milissegundos.

Portanto, podemos considerar a possibilidade de que o pulsar lento capturado desta vez também seja um pulsar anã branca emitindo pulsos em intervalos regulares com outra estrela companheira próxima. Para verificar isto, os astrónomos observaram o céu em torno do ASKAP J1935+2148 com o equipamento de observação infravermelha HWAK-I do telescópio VLT no Chile. No entanto, nenhum outro objeto celeste emissor de infravermelho foi encontrado nas proximidades. Parece improvável que seja um pulsar anã branca formando uma estrela binária com outra estrela companheira próxima.

O tamanho aproximado desta estrela pode ser estimado a partir do período de rotação do pulsar, mas os resultados da análise também são muito confusos. Como resultado da suposição de uma ampla gama de fatores, como a força do campo magnético da estrela, a curvatura da superfície da estrela e o deslocamento do período de rotação muito lento que esta observação confirma, se esta estrela for de fato uma anã branca pulsar, então é semelhante ao tamanho de uma anã branca típica, sendo o tamanho um número absolutamente impossível que excede 0,14 vezes o raio do Sol. Portanto, é difícil ver este pulsar apenas como um pulsar de anã branca.

Outra possibilidade é que se trate de um pulsar ou magnetar que forma um campo magnético muito forte. Os magnetares geralmente emitem sinais pulsantes complexos com diferentes períodos ao seu redor devido aos seus campos magnéticos muito fortes. A forma do espectro de rádio anômalo e complexo do ASKAP J1935+2148 também pode ser entendida desta forma. No entanto, esta hipótese também tem limitações fatais. No entanto, um magnetar é, em última análise, um pulsar de nêutrons com um campo magnético muito forte. Isso não resolve a questão fundamental de como uma estrela de nêutrons densa que entrou em colapso para um tamanho tão pequeno poderia emitir sinais pulsantes enquanto girava lentamente por mais de 50 minutos.

Qual é exatamente a identidade deste pulsar lento recentemente descoberto? Corresponde a um de dois tipos: o pulsar de nêutrons que conhecíamos anteriormente ou o pulsar da anã branca que começou recentemente a ser descoberto? Talvez seja necessária uma terceira categoria completamente diferente.

referência

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02277-w

https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x

https://www.nature.com/articles/nature18620

autor Ji Woong BaeEle é? Adoro gatos e espaço. Depois de assistir “Galaxy Express 999” quando criança, tive o sonho de divulgar a beleza do universo. Atualmente, ele pesquisa evolução através da interação de galáxias no Centro de Pesquisa de Evolução de Galáxias da Universidade Yonsei e no Laboratório de Cosmologia próximo, e participa de muitas atividades de comunicação científica, como palestras e redação. Ele é autor de livros como The Astronomical Observatory, Thinking About the Universe All Day Long e The Science of Stars and Light.​

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