A Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios X (XRISM) identificou um contraste surpreendente entre os ventos que sopram de um disco ao redor de uma estrela de nêutrons e aqueles vistos nas proximidades de buracos negros supermassivos. O sistema da estrela de nêutrons produz um fluxo de saída incomumente denso que desafia as ideias atuais sobre como esses ventos se formam e como moldam seus arredores.
No dia 25 de fevereiro de 2024, o XRISM utilizou seu instrumento Resolve para observar a estrela de nêutrons GX13+1, o remanescente compacto de uma estrela anteriormente maior. O GX13+1 brilha intensamente em raios X que vêm de um disco de acreção de material superaquecido que espirala em direção à superfície da estrela.
Esses fluxos internos também podem lançar poderosos fluxos de saída que alteram o espaço ao seu redor. Como esses fluxos se originam ainda está sob investigação, e é por isso que a equipe escolheu o GX13+1 como alvo.
O Resolve pode medir com precisão a energia de fótons individuais de raios X, então os cientistas esperavam ver detalhes finos que nunca haviam sido capturados antes.
“Quando vimos pela primeira vez a riqueza de detalhes nos dados, sentimos que estávamos testemunhando um resultado que muda o jogo,” diz Matteo Guainazzi, cientista do projeto ESA XRISM. “Para muitos de nós, foi a realização de um sonho que perseguimos por décadas.”
Por que os ventos cósmicos importam
Esses ventos não são apenas curiosidades. Eles provocam mudanças em larga escala no universo.
Ventosos semelhantes também sopram de sistemas com buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Eles podem comprimir enormes nuvens moleculares para desencadear o nascimento de estrelas ou aquecer e dispersar essas nuvens para interromper a formação de estrelas. Os astrônomos se referem a esse empurrão e puxão como feedback, e em casos extremos, o vento de um buraco negro central pode regular o crescimento de toda a galáxia hospedeira.
Como os processos em torno de buracos negros supermassivos podem espelhar aqueles próximos ao GX13+1, a equipe escolheu esse sistema de estrela de nêutrons como um alvo mais próximo e mais brilhante que poderia revelar a física subjacente em detalhes mais nítidos.
Um aumento oportuno para o limite de Eddington
Logo antes das observações planejadas, o GX13+1 inesperadamente se iluminou e atingiu ou até mesmo superou o limite de Eddington.
Esse limite descreve o que acontece à medida que a matéria cai sobre um objeto compacto, como um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Mais matéria em queda libera mais energia. À medida que a produção de energia aumenta, a radiação exerce pressão sobre o material que está chegando e o empurra para fora. No limite de Eddington, a luz de alta energia sendo produzida pode empurrar quase toda a matéria em queda de volta para o espaço na forma de um vento.
O Resolve registrou o GX13+1 durante essa fase dramática.
“Não poderíamos ter agendado isso se tivéssemos tentado,” disse Chris Done, da Universidade de Durham, Reino Unido, o principal pesquisador do estudo. “O sistema passou de cerca de metade de sua produção de radiação máxima para algo muito mais intenso, criando um vento que era mais denso do que já havíamos visto antes.”
Um vento lento e denso desafia as expectativas
Apesar da intensa erupção, a velocidade do vento permaneceu em torno de 1 milhão de km/h. Isso é rápido na Terra, mas lento em comparação com os ventos perto do limite de Eddington ao redor de buracos negros supermassivos, onde os fluxos de saída podem alcançar de 20 a 30 por cento da velocidade da luz, mais de 200 milhões de km/h.
“Ainda me surpreende como esse vento é ‘lento’,” diz Chris, “além de como ele é denso. É como olhar para o Sol através de uma neblina espessa se aproximando de nós. Tudo fica mais apagado quando a neblina está densa.”
Ventains de estrela de nêutrons versus ventos de buracos negros
Esse não foi o único contraste. Observações anteriores do XRISM de um buraco negro supermassivo no limite de Eddington revelaram um vento ultra-rápido e irregular. Em comparação, o fluxo de saída do GX13+1 parece lento e suave.
“Os ventos eram totalmente diferentes, mas vêm de sistemas que são aproximadamente os mesmos em termos do limite de Eddington. Então, se esses ventos realmente são apenas movidos pela pressão da radiação, por que eles são diferentes?” pergunta Chris.
A temperatura do disco de acreção como a chave
A equipe sugere que a resposta está na temperatura do disco de acreção ao redor do objeto central. Contraintuitivamente, os discos ao redor de buracos negros supermassivos tendem a ser mais frios do que aqueles em sistemas de massa estelar com estrelas de nêutrons ou buracos negros.
Os discos ao redor de buracos negros supermassivos são muito maiores. Eles podem ser extremamente luminosos, mas esse poder é distribuído em uma ampla área, então a radiação que emitem tipicamente atinge seu pico na luz ultravioleta. Os sistemas de massa estelar irradiam mais fortemente em raios X.
A luz ultravioleta interage com a matéria de maneira mais eficiente do que os raios X. Chris e seus colegas propõem que essa diferença permite que a radiação ultravioleta empurre material de forma mais eficiente, gerando os ventos muito mais rápidos vistos próximos a buracos negros supermassivos.
O que isso significa para a evolução das galáxias
Se essa explicação for válida, ela vai refinar a forma como os cientistas pensam sobre a troca de energia e matéria em ambientes extremos. Também pode esclarecer como esses processos influenciam o crescimento de galáxias e a evolução mais ampla do cosmos.
“A resolução sem precedentes do XRISM nos permite investigar esses objetos — e muitos mais — em um detalhe muito maior, abrindo o caminho para o próximo telescópio de raios X de alta resolução da próxima geração, como o NewAthena,” diz Camille Diez, pesquisadora da ESA.
Visão geral da missão XRISM
O XRISM (pronuncia-se krizz-em) foi lançado em 7 de setembro de 2023. A missão é liderada pela Agência de Exploração Espacial do Japão (JAXA) em parceria com a NASA e a ESA. Ele opera com dois instrumentos: o Resolve, um calorímetro de raios X que mede a energia de fótons individuais de raios X para fornecer um nível sem precedentes de resolução de energia (a capacidade de um instrumento distinguir as ‘cores’ de raios X), e o Xtend, uma câmera CCD de raios X de campo amplo que imagina a região circundante.
