A Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios-X (XRISM) descobriu um contraste impressionante entre os ventos que explodem no disco em torno de uma estrela de nêutrons e os ventos perto de um buraco negro supermassivo. Os sistemas estelares de neutrões produzem fluxos invulgarmente densos, desafiando as ideias atuais sobre como estes ventos se formam e como remodelam o seu entorno.
Em 25 de fevereiro de 2024, o XRISM usou seu instrumento Resolve para observar a estrela de nêutrons GX13+1, um remanescente denso de uma estrela outrora maior. GX13+1 brilha intensamente em raios X a partir de um disco de acreção de material superaquecido espiralando para dentro e atingindo a superfície da estrela.
Esses fluxos internos também podem desencadear fluxos poderosos, transformando o espaço ao seu redor. A forma como estas saídas ocorreram ainda está sob investigação, razão pela qual a equipa tem como alvo o GX13+1.
O Resolve pode medir com precisão a energia de fótons de raios X individuais, por isso os cientistas esperam ver detalhes refinados que nunca foram capturados antes.
“Quando vimos pela primeira vez a grande quantidade de detalhes nos dados, sentimos que estávamos a testemunhar um resultado revolucionário”, disse o cientista do projecto XRISM da ESA, Matteo Guainazzi. “Para muitos de nós, esta é a realização de um sonho que perseguimos há décadas.”
Por que os ventos cósmicos são importantes
Esses ventos são mais do que curiosidades. Eles impulsionam mudanças em grande escala no universo.
Ventos semelhantes sopram de sistemas de buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Eles podem comprimir nuvens moleculares gigantes para desencadear o nascimento de estrelas ou calor, e dispersá-las para evitar a formação de estrelas. Os astrônomos chamam isso de feedback push-pull e, em casos extremos, os ventos do buraco negro central podem regular o crescimento de toda a galáxia hospedeira.
Dado que os processos em torno de buracos negros supermassivos podem espelhar os próximos de GX13+1, a equipa escolheu este sistema estelar de neutrões como um alvo mais próximo e mais brilhante que poderia revelar mais claramente detalhes da física subjacente.
Subindo até o limite de Eddington no tempo
Pouco antes da observação planeada, GX13+1 brilhou inesperadamente, atingindo ou mesmo excedendo o limite de Eddington.
Este limite descreve o que acontece quando a matéria cai sobre objetos densos como buracos negros ou estrelas de nêutrons. Mais matéria caindo 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 resultante pode soprar quase qualquer material que chegue de volta ao espaço na forma de vento.
O Resolve gravou GX13+1 durante esta fase dramática.
“Não poderíamos ter orquestrado isto mesmo que tentássemos”, disse o principal investigador do estudo, Chris Done, da Universidade de Durham, no Reino Unido. “A produção radiativa do sistema passou de cerca de metade da sua produção radiativa máxima para muito mais intensa, produzindo ventos mais fortes do que vimos antes.”
Vento lento e denso inesperadamente
Apesar da intensidade da explosão, a velocidade do vento manteve-se em torno de 1 milhão de km/h. Isso é rápido na Terra, mas lento em comparação com os ventos do limite próximo de Eddington em torno de buracos negros supermassivos, onde as velocidades de saída podem atingir 20 a 30 por cento da velocidade da luz, ou mais de 200 milhões de quilómetros por hora.
Chris disse: “Fiquei surpreso com o quão ‘lento’ o vento era e quão denso ele era. Era como olhar para o sol através de uma linha de neblina que rolava em nossa direção. Quando a neblina é espessa, tudo escurece.”
Estrelas de nêutrons e ventos de buraco negro
Este não é o único contraste. As primeiras observações XRISM de buracos negros supermassivos no limite de Eddington revelaram ventos em bloco ultrarrápidos. Em comparação, a saída do GX13+1 parece lenta e constante.
“Os ventos são completamente diferentes, mas vêm aproximadamente do mesmo sistema em termos do limite de Eddington. Então, se esses ventos são realmente impulsionados apenas pela pressão da radiação, por que são diferentes?” Chris perguntou.
A temperatura do disco de acréscimo é fundamental
A equipa acredita que a resposta está na temperatura do disco de acreção que rodeia o objeto central. Contraintuitivamente, os discos em torno de buracos negros supermassivos tendem a ser mais frios do que os discos em sistemas de massa estelar com estrelas de nêutrons ou buracos negros.
O disco em torno de um buraco negro supermassivo é muito maior. Eles podem ser extremamente luminosos, mas essa energia é distribuída por uma ampla área, de modo que a radiação típica que emitem atinge o pico no ultravioleta. Os sistemas de massa estelar irradiam mais intensamente em raios X.
Os raios UV interagem com a matéria mais facilmente do que os raios X. Chris e colegas propuseram que esta diferença permite que a radiação ultravioleta empurre a matéria de forma mais eficiente, criando ventos mais rápidos observados perto de buracos negros supermassivos.
O que isso significa para a evolução da galáxia?
Se esta explicação for verdadeira, refinaria o pensamento dos cientistas sobre a troca de energia e matéria em ambientes extremos. Poderia também esclarecer como estes processos influenciam o crescimento das galáxias e a evolução mais ampla do Universo.
“A resolução sem precedentes do XRISM permite-nos estudar estes objetos e muitos mais com maior detalhe, abrindo caminho para a próxima geração de telescópios de raios X de alta resolução, como o NewAthena”, disse Camille Diez, investigadora da ESA.
Visão geral das tarefas XRISM
O XRISM (pronuncia-se krizz-em) será 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 para fornecer níveis sem precedentes de resolução de energia (a capacidade do instrumento de distinguir “cores” de raios X); e Xtend, uma câmera CCD de raios X de campo amplo usada para obter imagens da área circundante.
