Observação da estrela de nêutrons GX13+1

Em 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 outrora maior. GX13+1 brilha intensamente em raios-X que vêm de um disco de acréscimo de material superaquecido que espirala para dentro e atinge a superfície da estrela.

Esses fluxos internos também podem lançar potentes saídas que alteram o espaço ao seu redor. Como esses fluxos se originam ainda está sob investigação, razão pela qual a equipe escolheu a GX13+1 como alvo.

O Resolve pode medir com precisão a energia de fótons de raios-X individuais, então os cientistas esperavam observar 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 revolucionário”, disse 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.

Ventus 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 estelar. Astrônomos referem-se a esse empurrar e puxar como feedback, e, em casos extremos, o vento de um buraco negro central pode regular o crescimento de toda a sua galáxia hospedeira.

Como os processos em torno de buracos negros supermassivos podem espelhar aqueles próximos à GX13+1, a equipe escolheu este sistema de estrela de nêutrons como um alvo mais próximo e mais brilhante que poderia revelar a física subjacente em detalhes mais nítidos.

Um surgimento oportuno para o limite de Eddington

Pouco antes das observações planejadas, a GX13+1 inesperadamente se iluminou e alcançou ou até superou o limite de Eddington.

Este limite descreve o que acontece à medida que a matéria cai em um objeto compacto, como um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Mais matéria em queda libera mais energia. À medida que a saída 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 produzida pode impulsionar quase toda a matéria em queda de volta ao espaço como um vento.

O Resolve registrou a GX13+1 durante essa fase dramática.

“Não poderíamos ter programado isso mesmo que tentássemos”, disse Chris Done, da Universidade de Durham, Reino Unido, o pesquisador principal do estudo. “O sistema passou de cerca de metade de sua saída de radiação máxima para algo muito mais intenso, criando um vento que foi mais denso do que já havíamos visto.”

Um vento denso e lento desafia as expectativas

Apesar do intenso surto, a velocidade do vento permaneceu em torno de 1 milhão de km/h. Isso é rápido na Terra, mas lento em comparação com ventos próximos ao limite de Eddington em torno de buracos negros supermassivos, onde as saídas podem alcançar 20 a 30 por cento da velocidade da luz, mais de 200 milhões de km/h.

“Ainda me surpreende o quão ‘lento’ esse vento é”, diz Chris, “assim como o quão denso ele é. É como olhar para o Sol através de um banco de névoa que se aproxima de nós. Tudo fica mais escuro quando a névoa é densa.”

Ventos de estrelas de nêutrons vs buracos negros

Esse não foi o único contraste. Observações anteriores do XRISM de um buraco negro supermassivo no limite de Eddington revelaram um vento ultrarrápido e irregular. Em comparação, a saída da GX13+1 parece lenta e suave.

“Os ventos eram totalmente diferentes, mas vêm de sistemas que são mais ou menos iguais em termos do limite de Eddington. Então, se esses ventos realmente são movidos apenas pela pressão da radiação, por que eles são diferentes?” pergunta Chris.

A temperatura do disco de acréscimo como chave

A equipe sugere que a resposta reside na temperatura do disco de acréscimo ao redor do objeto central. Contrariamente à intuição, 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 espalhado por uma vasta área, então a radiação típica que emitem atinge seu pico na luz ultravioleta. Sistemas de massa estelar irradiam mais fortemente em raios-X.

A luz ultravioleta interage mais prontamente com a matéria do que raios-X. Chris e seus colegas propõem que essa diferença permite que a radiação ultravioleta empurre a matéria 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 se confirmar, irá refinar a forma como os cientistas pensam sobre a troca de energia e matéria em ambientes extremos. Também poderá esclarecer como esses processos influenciam o crescimento das galáxias e a evolução mais ampla do cosmos.

“A resolução sem precedentes do XRISM nos permite investigar esses objetos – e muitos mais – em detalhes muito maiores, abrindo caminho para o próximo telescópio de raios-X de alta resolução de próxima geração, como o NewAthena”, diz Camille Diez, pesquisadora da ESA.

Visão geral da missão XRISM

O XRISM (pronunciado 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 para fornecer um nível sem precedentes de resolução de energia (a capacidade de um instrumento de distinguir as ‘cores’ dos raios-X), e Xtend, uma câmera CCD de raios-X de campo amplo que imagem a região circundante.