Raios, Coriscos … e Pulsares

O observatório HESS, na Namíbia, detecta radiação de Cherenkov proveniente de raios cósmicos. Crédito: HESS Collaboration.

O High Energy Stereoscopic System (HESS), localizado na Namíbia, é um observatório constituído por vários telescópios de aspecto pouco convencional. À primeira vista parecem pequenas antenas de radiotelescópios. Mais de perto verifica-se que as suas superfícies são formadas por uma grelha de espelhos com aspecto semelhante aos grandes telescópios de espelhos segmentados, e.g., os gémeos Keck, no Hawaii. Na realidade, os telescópios capturam luz, reflectindo-a através dos espelhos para detectores situados no foco primário, no vértice da pirâmide metálica. A luz detectada não provém directamente das estrelas mas resulta da colisão de raios cósmicos com átomos e moléculas na atmosfera terrestre. Estas colisões originam pequenos flashes de luz azul etérea — a chamada radiação de Cherenkov, que pode ser observada igualmente nos reactores nucleares.

Um reactor nuclear banhado pela luz azul da Radiação de Cherenkov.
Um raio cósmico (no caso um fotão de radiação gama) de alta energia dá origem a um “chuveiro” de partículas elementares quando entra na atmosfera. Estas partículas chocam com núcleos atómicos e produzem um cone de Radiação de Cherenkov muito débil que é captado pelos telescópios do HESS. Crédito: Inspire HEP.

Os raios cósmicos foram descobertos na década de 30 do século passado e não são mais do que partículas elementares e núcleos atómicos com energias muito elevadas — semelhantes à energia máxima a que são aceleradas partículas no LHC, no CERN. A origem destas partículas tem sido objecto de décadas de investigação, sabendo-se hoje que os remanescentes de supernovas estão envolvidos na sua produção. As partículas viajam depois milhares de anos-luz, guiadas pelos campos magnéticos do meio interestelar, até chocarem com um alvo — neste caso, a Terra.

Os vários telescópios, em formação, conseguem localizar locais no firmamento que são fontes de raios cósmicos particularmente intensas e energéticas. De facto, nos últimos anos, astrónomos do Max-Planck Institute for Astronomy, que operam o observatório, identificaram mais de 80 destas fontes, que emitem também raios gama de energias muito elevadas. A maioria destas fontes tem correspondência com remanescentes de supernovas, algo que os cientistas já esperavam. No entanto, algumas parecem não corresponder a um objecto astronómico.

HESS J1640–465, uma das fontes mais energéticas da lista, era até há pouco um desses pontos de interrogação. Os astrónomos organizaram uma campanha de observação com vários telescópios que depressa deu resultados. Numa primeira fase, a HESS J1640–465 (os números representam as suas coordenadas aproximadas no céu) coincidia precisamente com uma fonte de raios gama muito luminosa detectada pelo telescópio Fermi. Observações subsequentes com os telescópios Chandra e XMM, em raios X de baixa energia, permitiram determinar que HESS J1640–465 se situava na periferia de um remanescente de supernova designado por G338.3−0.0 (os números representam as suas coordenadas galácticas, 338.3 graus de longitude e 0.0 graus de latitude). Os astrónomos suspeitavam, como em outros casos, que o verdadeiro dínamo por detrás da emissão de energia seria um pulsar — um tipo de estrela de neutrões.

Imagem que combina observações em ondas de rádio e em infravermelhos, mostrando a região do céu associada a HESS J1640–465 (marcada com um X) e a sua associação com o remanescente de supernova G338.3–0.0. Crédito: Castelleti et al..

Uma estrela de neutrões é o núcleo colapsado e incrivelmente denso de uma estrela maciça que explodiu numa supernova. Um exemplar típico tem 20 km de diâmetro, 1 massa solar e um período de rotação de alguns décimos de segundo. O seu campo magnético, uma relíquia do campo magnético da estrela que explodiu, é extraordinariamente intenso pois, tal como o resto do núcleo, foi comprimido numa fracção de segundo durante o colapso. Uma estrela de neutrões normal tem um campo magnético de 100 milhões de Tesla — 10 milhões de milhões de vezes mais intenso do que o da Terra, que faz mover as bússolas e possivelmente orienta as baleias nas suas migrações.

Um pulsar é uma estrela de neutrões com uma particularidade. O campo magnético da estrela acelera partículas na sua vizinhança até velocidades próximas da da luz (relativísticas) e força-as a emitir radiação. Nos pólos magnéticos da estrela formam-se feixes de radiação intensa que, se estiverem alinhados com a Terra, aparecem e desaparecem com a mesma periodicidade da rotação — daí o nome “pulsar”, contracção do inglês pulsating star. A radiação emitida pode provir de várias zonas do espectro electromagnético, desde as ondas rádio até aos raios gama.

Um pulsar é uma estrela de neutrões (esfera azul claro) com um campo magnético muito forte girando sobre si própria a grande velocidade. Feixes de radiação intensa são emitidos a partir dos seus pólos magnéticos. Se estes estiverem alinhados com a Terra vemo-los aparecer e desaparecer com a mesma frequência da rotação da estrela de neutrões.

Apesar da suspeita de que HESS J1640–465 era um pulsar, as observações realizadas com os telescópios Fermi, Chandra e XMM não foram conclusivas. A confirmar-se a associação com o remanescente G338.3−0.0, o hipotético pulsar situar-se-ia a uma distância de 42 mil anos-luz, na Via Láctea, parcialmente ocultado por grandes quantidades de poeira interestelar. Essa poeira dificulta as observações nos comprimentos de onda observados por estes telescópios. Os cientistas viraram-se então para outro telescópio, o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), da NASA, que observa numa zona do espectro electromagnético não coberta pelos restantes e que é menos afectada pela poeira interestelar — os raios X de alta energia. As observações realizadas permitiram detectar pulsos periódicos de raios X, associando inequivocamente um pulsar com a fonte de raios cósmicos HESS J1640–465. O novo pulsar, designado PSR J1640–4631, tem um período de rotação de 0.2 segundos que aumenta cerca de 30 microsegundos por ano. Este fenómeno é comum entre os pulsares. De facto, a fonte de energia última dos pulsares é a sua rotação. O efeito de dínamo provocado pelo campo magnético em rotação transfere a energia rotacional para um campo eléctrico muito intenso que, por sua vez, transfere essa energia para partículas na vizinhança do pulsar, acelerando-as até velocidades relativísticas. Desta forma, cada partícula acelerada pelo pulsar rouba uma quantidade ínfima da sua energia rotacional, provocando este abrandamento gradual.

Nesta imagem o pulsar PSR J1640–4631 e a sua região circundante aparece a azul, sinalizando os raios X de alta energia observados pelo NuSTAR. As manchas rosa/púrpura são fontes de raios X de menor energia observadas pelo telescópio Chandra. A nebulosidade e estrelas de fundo fazem parte de uma imagem obtida em infravermelhos pelo telescópio Spitzer. Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Com a descoberta do novo pulsar, e a sua associação com um remanescente de supernova, os raios cósmicos provenientes de HESS J1640–465 tornaram-se mais compreensíveis. Numa primeira fase, o campo magnético intenso do pulsar acelera partículas até velocidades e energias muito elevadas. Estas partículas formam um “vento” que escapa do pulsar e interage finalmente com o campo magnético do remanescente de supernova, sendo acelerados de novo, com maior eficiência, até atingirem o patamar energético típico dos raios cósmicos de alta energia.

(fontes: NuSTAR e HESS)

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