A Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios-X (XRISM) detectou um contraste surpreendente entre o vento que irrompe de um disco em torno de estrelas de nêutrons e aqueles observados mais perto de buracos negros supermassivos. Os sistemas estelares de neutrões produzem um fluxo invulgarmente denso que desafia as ideias atuais sobre como estes ventos se formam e como moldam o seu entorno.
Em 25 de fevereiro de 2024, o XRISM usou seu instrumento RESOLVE para observar a estrela de nêutrons GX13+1, o remanescente compacto de uma estrela outrora massiva. GX13+1 brilha intensamente em raios X provenientes de um disco de acreção de material superaquecido que espirala para dentro e atinge a superfície da estrela.
Essas correntes de entrada também podem desencadear fortes fluxos de saída que alteram o espaço ao seu redor. A forma como estas saídas se originam ainda está sob investigação, razão pela qual a equipa visou o GX13+1.
O Resolve pode medir com precisão a energia de fótons de raios X individuais, por isso os cientistas esperavam ver detalhes refinados que nunca haviam sido capturados antes.
“Quando vimos pela primeira vez a riqueza de detalhes dos dados, sentimos que estávamos a testemunhar um resultado revolucionário”, disse o cientista do projecto XRISM da ESA, Matteo Guinazzi. “Para muitos de nós, esta é a realização de um sonho que perseguimos há décadas.”
Por que o vento cósmico é importante?
Este ar não é apenas curiosidade. Eles impulsionam mudanças massivas no universo.
Ventos semelhantes também fluem de sistemas com buracos negros supermassivos em centros galácticos. Eles podem comprimir nuvens moleculares gigantes para desencadear a formação de estrelas ou calor, e podem dispersar essas nuvens para interromper a formação. Os astrónomos referem-se a este empurrar e puxar como feedback e, em casos extremos, o vento de um buraco negro central pode controlar o crescimento de toda a sua galáxia hospedeira.
Como os processos em torno dos buracos negros supermassivos podem espelhar os que ocorrem em torno do GX13+1, a equipe escolheu este sistema estelar de nêutrons como um alvo próximo e brilhante que poderia revelar a física subjacente com detalhes nítidos.
Uma onda periódica no limite de Eddington
Pouco antes da observação planeada, GX13+1 brilhou inesperadamente e excedeu o limite de Eddington.
Este limite descreve o que acontece quando a matéria cai sobre um objeto compacto, como um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Mais matéria inflamada libera mais energia. À medida que a produção de energia aumenta, a radiação exerce pressão sobre o material que entra e o empurra para fora. No limite de Eddington, a luz de alta energia produzida pode impulsionar quase toda a matéria que flui, como o vento, de volta ao espaço.
Resolva o GX13+1 gravado nesta fase dramática.
“Não poderíamos ter determinado isso mesmo que tentássemos”, disse o principal pesquisador do estudo, Chris Dunn, da Universidade de Durham, no Reino Unido. “O sistema passou de cerca de metade do seu pico de radiação para algo muito mais intenso, criando um vento que nunca vimos antes”.
Uma brisa lenta e densa desafia as expectativas
Apesar da intensa explosão, a velocidade do vento foi de 1 milhão de km/h. É mais rápido na Terra, mas mais lento que o vento perto do limite de Eddington em torno de buracos negros supermassivos, onde o fluxo pode ser de 20 a 30 por cento da velocidade da luz, superior a 200 milhões de km/h.
“Ainda me surpreende o quão ‘lento’ esse ar é”, disse Chris, “bem como o quão espesso ele é. É como olhar para o sol através de um banco de neblina. Quando o nevoeiro é denso, tudo fica escuro.”
Estrelas de nêutrons versus ventos de buraco negro
Este não foi o único contraste. Observações anteriores do XRISM de um buraco negro supermassivo no limite de Eddington revelaram um vento super rápido e aleatório. Em comparação, a saída do GX13+1 parece lenta e suave.
“Os ventos eram completamente diferentes, mas provinham de sistemas quase idênticos em termos do limite de Eddington. Então, se estes ventos são realmente impulsionados pela pressão da radiação, porque são diferentes?” perguntou Chris.
Aumento da temperatura do disco como chave
A equipe sugere que a resposta está na temperatura do disco de acreção ao redor do objeto central. Por outro lado, os discos em torno de buracos negros supermassivos tendem a ser mais frios do que os sistemas de massa estelar com estrelas de nêutrons ou buracos negros.
O disco ao redor do buraco negro supermassivo é muito grande. Eles podem ser extremamente brilhantes, mas essa energia está espalhada por uma grande área, de modo que a radiação típica que emitem está no pico dos raios ultravioleta. Os sistemas de massa estelar emitem raios X com maior intensidade.
Os raios ultravioleta interagem com a matéria mais facilmente do que os raios X. Chris e colegas propõem que esta diferença permite que a radiação ultravioleta empurre a matéria de forma mais eficiente, criando ventos muito mais rápidos observados perto de buracos negros supermassivos.
O que isso significa para a evolução da galáxia
Se esta explicação for válida, irá refinar a forma como os cientistas pensam sobre a troca de energia e matéria em ambientes extremos. Isto poderia esclarecer ainda mais como estes processos afetam o crescimento das galáxias e a evolução mais ampla do universo.
“A resolução sem precedentes do XRISM permite-nos sondar estes objetos – e muitos mais – com muito maior detalhe, abrindo caminho para telescópios de raios X de alta resolução de próxima geração, como o NeuAthena,” disse Camille Diaz, investigadora da ESA.
A missão XRISM em resumo
XRISM (pronuncia-se krizz-em) foi lançado em 7 de setembro de 2023. A missão é liderada pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) em parceria com a NASA e a ESA. Ele voa com dois instrumentos: Resolve, um calorímetro de raios X que mede a energia de fótons de raios X individuais com um nível de resolução de energia sem precedentes (a capacidade de um instrumento de distinguir ‘cores’ de raios X), e Xtend, uma câmera CCD de raios X de campo amplo que fotografa a área circundante.
