A misteriosa ‘aranha’ cósmica encontrada para ser uma fonte de poderosos raios gama

Impressão artística da evolução de uma anã branca (em primeiro plano) e um sistema binário de pulsar (em segundo plano). Usando o telescópio SOAR de 4,1 metros em Cerro Passion no Chile, parte do Observatório Pan-Americano Cerro Tololo, um programa do NSF NOIRLab, os astrônomos descobriram o primeiro exemplo de um sistema binário que consiste em uma anã branca em evolução orbitando um pulsar de milissegundo, em qual o pulsar de milissegundo está na fase final do processo de rotação. A fonte, descoberta pelo Telescópio Espacial Fermi, é o “elo perdido” na evolução de tais sistemas binários. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. Agradecimentos da Silva/Spaceengine: M. Zamani (NSF’s NOIRLab)

O sistema binário foi investigado pelo telescópio SOAR operado pelo NOIRLab, o primeiro sistema encontrado no penúltimo estágio de seu desenvolvimento.

Usando o telescópio SOAR de 4,1 metros no Chile, os astrônomos descobriram o primeiro exemplo de um sistema binário onde uma estrela está em processo de transformação em anã branca girar em torno Estrêla de Neutróns Que acabou de se transformar em um spinner rápido pulsar. Este par foi originalmente descoberto pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi e é o “elo perdido” na evolução de tais sistemas binários.

Descobriu-se que uma fonte brilhante e misteriosa de raios gama é uma estrela de nêutrons em rápida rotação – apelidada de estrela de milissegundos – orbitando uma estrela no processo de evoluir para uma anã branca de massa extremamente baixa. Os astrônomos se referem a esses tipos de sistemas binários como “aranhas” porque um pulsar tende a “comer” as partes externas da estrela companheira quando se transforma em uma anã branca.

A dupla foi descoberta por astrônomos usando o telescópio SOAR de 4,1 metros em Cerro Pachón, no Chile, parte do Observatório Interamericano Cerro Tololo (CTIO), um programa do NSF NOIRLab.

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NASAO Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi catalogou objetos no universo que produzem copiosos raios gama desde seu lançamento em 2008, mas nem todas as fontes de raios gama que ele detecta foram classificadas. Uma dessas fontes, que os astrônomos chamaram de 4FGL J1120.0-2204, foi a segunda fonte de raios gama mais brilhante em todo o céu que ainda não foi identificada.

Astrônomos dos Estados Unidos e Canadá, liderados por Samuel Swehart do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington, DC, usaram o Goodman Spectrograph no telescópio SOAR para determinar a verdadeira identidade do 4FGL J1120.0-2204. A fonte de raios gama, que também emite raios X, conforme observado pelos telescópios espaciais Swift da NASA e pelo XMM-Newton da Agência Espacial Européia, mostrou ser um sistema binário que consiste em um “pulsar de milissegundos” girando centenas de vezes por segundo, e Introdução a uma anã branca de massa muito baixa. O par está localizado a mais de 2.600 anos-luz de distância.

“O tempo atribuído à MSU no telescópio SOAR, sua localização no Hemisfério Sul e a precisão e estabilidade do espectrômetro Goodman foram aspectos importantes dessa descoberta”, diz Swihart.

“Este é um ótimo exemplo de como os telescópios de tamanho médio em geral, e o SOAR em particular, podem ser usados ​​para ajudar a caracterizar descobertas extraordinárias que foram feitas usando outras instalações terrestres e espaciais”, observa Chris Davis, diretor do NOIRLab. programa da Fundação Nacional de Ciências dos EUA. “Esperamos que o SOAR desempenhe um papel crítico na busca de muitas outras fontes de várias mensagens que variam no tempo na próxima década.”

O espectro óptico do sistema binário medido pelo espectrômetro de Goodman mostrou que a luz da companheira da anã branca primária é Doppler – deslocada alternadamente para vermelho e azul – indicando que ela orbita uma estrela de nêutrons compacta massiva a cada 15 horas.

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“Os espectros também nos permitiram restringir a temperatura aproximada e a gravidade da superfície da estrela companheira”, diz Swihart, cuja equipe foi capaz de pegar essas propriedades e aplicá-las a modelos que descrevem como os sistemas estelares binários evoluíram. Isso permitiu que eles determinassem que a companheira é uma precursora de uma anã branca de massa extremamente baixa, com uma temperatura de superfície de 8.200 graus Celsius (15.000 graus Fahrenheit) e uma massa de apenas 17% da massa do Sol.

Quando uma estrela com massa comparável à do Sol ou menos chega ao fim de sua vida, o hidrogênio usado para alimentar os processos de fusão nuclear em seu núcleo se esgotará. Por um tempo, o hélio assume a liderança e fortalece a estrela, fazendo com que ela encolha e aqueça, empurrando sua expansão e evolução para uma gigante vermelha com centenas de milhões de quilômetros de tamanho. Eventualmente, as camadas externas dessa estrela em balão poderiam se acumular em uma companheira binária e a fusão nuclear pararia, deixando para trás uma anã branca aproximadamente do tamanho da Terra e cuspindo a temperaturas superiores a 100.000 graus Celsius (180.000 graus Fahrenheit).

A anã branca primária no sistema 4FGL J1120.0-2204 ainda não terminou de evoluir. “Atualmente está inchado e seu raio é cerca de cinco vezes maior do que o de anãs brancas comuns de massa semelhante”, diz Swihart. “Ela continuará a esfriar e encolher e, em cerca de dois bilhões de anos, parecerá idêntica a muitas das anãs brancas de massa muito baixa que já conhecemos”.

Os pulsares de milissegundos giram centenas de vezes a cada segundo. É girado acumulando material de um companheiro, neste caso de uma estrela que se tornou uma anã branca. A maioria dos pulsares de milissegundos emite raios gama e raios-X, muitas vezes quando ventos estelares, um fluxo de partículas carregadas que emanam de uma estrela de nêutrons em rotação, colidem com o material emitido por uma estrela companheira.

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Cerca de 80 anãs brancas de massa muito baixa são conhecidas, mas “este é o primeiro prenúncio de uma anã branca de massa muito baixa descoberta provavelmente orbitando uma estrela de nêutrons”, diz Swihart. Assim, 4FGL J1120.0-2204 é um olhar único no final deste processo de ciclagem. Todos os outros binários anões e pulsares que foram descobertos contornaram a fase de rotação.

“A continuidade da espectroscopia com o telescópio SOAR, que visa fontes de raios gama Fermi não relacionadas, nos permitiu ver que o companheiro estava orbitando algo”, diz Swihart. “Sem essas observações, não teríamos sido capazes de encontrar este sistema emocionante.”

Referência: “4FGL J1120.0-2204: Uma estrela de nêutrons brilhante binária de raios gama única com uma anã branca primária muito baixa” por Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Jornal Astrofísico.
arXiv: 2201.03589

A equipe consistia em Samuel J. Swihart (Assistente de Pesquisa no Conselho Nacional de Pesquisa, Academia Nacional de Ciências e Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA, Washington, DC), Jay Strader (Centro de Dados Astronômicos Intensivos e Domínio do Tempo, Departamento de Física e Astronomia, Michigan State University), Elias Aydi (Department of Physics, McGill University, Canadá), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Canadá), Kristen C. Dage (McGill Space Institute and Department of Physics, McGill University, Canadá), Adam Kawash (Center for Intensive Data and Field Astronomy Chronology, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centre for Intensive Data and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) e Elizabeth C. Ferrara (Departamento de Astronomia da Universidade de Maryland e Centro de Exploração e Estudos Espaciais (CRESST) no Goddard Space Flight Center da NASA).

Annaliese Franke

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