Os astrônomos observaram estrelas de nêutrons que emitem mais energia do que é teoricamente possível, e agora uma explicação pode estar em andamento.
As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais extremos e bizarros do Universo. Cada um desses corpos celestes, que são restos de estrelas massivas que terminaram suas vidas em explosões de supernovas, tem massa maior que a massa do nosso Sol.
Dado que seu raio é de apenas alguns quilômetros, isso os torna tão densos quanto os núcleos atômicos. Em comparação com o nosso planeta, tanto a densidade quanto a atração gravitacional na superfície de uma estrela de nêutrons são cem trilhões de vezes maiores do que na Terra.
Apesar do amplo conhecimento dos cientistas sobre sua estrutura interna e comportamentos, alguns quebra-cabeças permanecem em sua física, incluindo o mistério em torno das propriedades da radiação da estrela de nêutrons.
Sistemas binários com uma estrela de nêutrons
Observação feita desde o final do século XIXº século indicam que quando uma estrela de nêutrons existe como parte de um sistema binário, ela pode atrair gravitacionalmente a matéria de sua estrela companheira para sua própria superfície. Como esta matéria é acelerada a velocidades tremendas como resultado da incrível gravidade da estrela de nêutrons, ela emite poderosas ondas eletromagnéticas que exercem uma pressão externa sobre a matéria acelerada.
Quando a pressão de radiação da matéria em queda se torna intensa o suficiente, ela pode superar a força gravitacional da estrela de nêutrons, impedindo que mais matéria atinja sua superfície. Esse limite na quantidade máxima de material em queda e na potência de radiação resultante (ou quanta energia ele pode emitir) é conhecido como limite de Eddington.
Mas aqui está o problema: os pesquisadores observaram repetidamente estrelas de nêutrons cujas emissões excedem o limite de Eddington em ordens de magnitude.
M82 X-2
Para estudar esse fenômeno em detalhes e entender a natureza da contradição entre teoria e experimento, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Matteo Bacetti analisou dados de oito anos de observações feitas pela sonda espacial da NASA. Conjunto de Telescópios Espectroscópicos Nucleares de um sistema binário conhecido como M82 X-2.
O sistema está localizado a cerca de 12 milhões de anos-luz da Terra e é excepcionalmente brilhante — sua luminosidade é cerca de dez milhões de vezes a do Sol e excede o limite de Eddington em cerca de cem vezes. Consiste em uma estrela que tem aproximadamente oito vezes a massa do nosso Sol e uma estrela de nêutrons com massa de 1,4 massas solares, girando a cada 1,37 segundos e girando em torno de sua companheira a cada 2,5 dias.
Os pesquisadores pretendiam determinar quanta matéria a estrela de nêutrons estava acumulando ou roubando de sua vizinha, estudando as mudanças no período orbital da estrela de nêutrons. Eles compararam suas descobertas observacionais com a mesma quantidade derivada de sua luminosidade para garantir que concordassem. A equipe confirmou que os parâmetros calculados do sistema correspondiam aos dados observacionais, sugerindo que o limite de Eddington havia realmente sido quebrado neste sistema binário.
Em seu estudo, os físicos não apenas confirmaram a violação do limite de Eddington, mas também propuseram uma solução para o problema. Eles observaram que, normalmente, quando os cientistas calculam a pressão exercida sobre a matéria em acreção, assume-se que não há campo magnético. No entanto, assim como a Terra, as estrelas de nêutrons também possuem campos magnéticos que podem ser incrivelmente fortes e que, segundo a mecânica quântica, deveriam reduzir a pressão da radiação sobre a matéria. Isso permitiria, portanto, maiores quantidades de material em queda do que anteriormente assumido para superar essa pressão, elevando o limite de Eddington.
Os físicos concluíram que, se a estrela de nêutrons em M82 X-2 tem um campo magnético forte o suficiente (bilhões de vezes mais forte do que o que jamais poderia ser feito em um laboratório na Terra), o limite de Eddington aumenta tanto que a contradição entre observações e teoria desaparece.
“Essas observações nos permitem ver os efeitos desses campos magnéticos incrivelmente fortes que nunca poderíamos reproduzir na Terra com a tecnologia atual”, disse Bachetti, astrofísico do Observatório Cagliari do Instituto Nacional de Astrofísica, na Itália, em um Comunicado de imprensa. “Esta é a beleza da astronomia. Observando o céu, expandimos nossa capacidade de investigar como o Universo funciona. Por outro lado, não podemos realmente fazer experimentos para obter respostas rápidas; temos que esperar que o Universo nos mostre seus segredos.”
Embora o grupo tenha encontrado uma possível solução para o paradoxo, para confirmar sua hipótese, são necessárias mais observações de outras estrelas de nêutrons que quebram Eddington para garantir que essa luminosidade elevada seja sempre acompanhada por esse fenômeno de transferência de matéria de uma estrela companheira.
Felizmente, muitas missões, como a Sondas de raios X de alta energiao Temporização de Raios-X e Missão de Polarimetriae a Observatório Espectroscópico de Resolução de Tempo para Raios-X de Energia de Banda Largaestão atualmente em desenvolvimento, o que ajudará a medir com mais precisão os parâmetros de um grande número de estrelas de nêutrons ultraluminosas para determinar se o problema foi resolvido ou se o paradoxo ainda persiste.
Referência: Matteo Bachetti et al. Decaimento Orbital em M82 X-2, The Astrophysical Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac8d67
Crédito da imagem principal: Rodion Kutsaiev no Unspash
