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jan 29

Geminga e B0355+54: Dois pulsares dão aulas de geometria aos astrônomos!

https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gemina_main-10.jpg

O mosaico mostra imagens obtidas pelo observatório Chandra da NASA (topo) e impressões artísticas (abaixo), as quais forneceram uma melhor visão sobre os pulsares estudados e suas nebulosas de vento associadas (PWN). O pulsar Geminga (à esquerda) está a aproximadamente 800 anos-luz da Terra. A cauda de Geminga se alonga por mais de meio ano-luz, ou seja, mais de 1.000 vezes a distância entre o Sol e Plutão. O pulsar B0355+54 (à direita) reside a cerca de 3.300 anos-luz da Terra. A cauda dupla e estreita se estende por 5 anos-luz. Créditos: acima e à esquerda – raios-X – NASA/CXC/PSU/B. Posselt et al; infravermelho (fundo): NASA/JPL-Caltech; acima e à direita – raios-X – NASA/CXC/GWU/N. Klingler et al; infravermelho (fundo): NASA/JPL-Caltech; Ilustrações nos dois quadros abaixo criadas por Nahks Tr’Ehnl

Similarmente a faróis cósmicos que varrem o Universo com feixes de energia, os pulsares têm fascinado e ao mesmo tempo confundido os cientistas desde que foram descobertos há 50 anos. Em dois estudos, times internacionais de astrônomos sugerem que imagens recentes de dois pulsares (Geminga e B0355+54), obtidas pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA, podem ajudar a dar-nos pistas sobre as assinaturas distintivas dos pulsares, bem como a sua geometria que nos deixa perplexos.

Os pulsares são um tipo de estrela de nêutrons que resultam de explosões de supernovas quando as estrelas progenitoras massivas desmoronam. Descobertos inicialmente graças a emissão de feixes de emissão de rádio, parecidos com faróis, as investigações mais recentes descobriram que os pulsares energéticos também produzem feixes de raios-gama de alta energia.

Paradoxalmente, os dois tipos de feixes raramente se combinam, afirmou Bettina Posselt, investigadora em astronomia e astrofísica da Universidade Estatal da Pensilvânia, EUA. As formas dos pulsos rádio e raios-gama observados são muitas vezes bastante diferentes e alguns dos objetos mostram apenas ou um tipo de pulso ou o outro. Estas diferenças geraram debates sobre o modelo de pulsar.

Bettina Posselt declarou:

Não é plenamente entendido a razão de existirem variações entre diferentes pulsares. Uma das principais ideias é que as diferenças de pulso têm bastante a ver com a geometria e também dependem da rotação e de como os eixos magnéticos do pulsar estão orientados em relação à nossa linha de visão, se você vê certos pulsares ou não, além da forma de como são observados.

As imagens capturadas pelo observatório espacial de altas energias Chandra estão dando aos astrônomos um olhar mais detalhado sobre a geometria distinta dos ventos de partículas carregadas que irradiam raios-X e outros comprimentos de onda dos objetos, conforme Posselt. Os pulsares giram de forma rítmica enquanto viajam velozmente pelo espaço a velocidades que atingem centenas de quilômetros por segundo. As nebulosas de vento de pulsar (PWNPulsar Wind Nebulae) são produzidas quando as partículas energéticas que fluem dos pulsares são disparadas ao longo dos campos magnéticos da estrela nêutrons, formando toros (anéis) ao redor do plano equatorial do pulsar e percorrem o eixo de rotação, muitas vezes formando caudas longas à medida que os pulsares cortam rapidamente o meio interestelar.

Roger W. Romani, professor de astrofísica na Universidade de Stanford e pesquisador líder do projeto PWN do Chandra destacou:

Este é um dos resultados mais interessantes do nosso estudo mais amplo das PWN (nebulosas de vento pulsar). Ao tornar visível a estrutura tridimensional destes ventos, nós demonstramos como podemos chegar ao plasma injetado pelo pulsar no centro. A fantástica acuidade de detecção dos raios-X pelo Chandra foi essencial para o estudo. Assim, estamos felizes por ter sido possível obter exposições profundas que tornaram estas tênues estruturas visíveis.

Uma espetacular PWN foi observada em volta do pulsar Geminga.

http://chandra.si.edu/photo/2017/geminga/geminga_comp.jpg

O pulsar Geminga capturado em raios-X e infravermelho – Créditos: raios-X – NASA/CXC/PSU/B. Posselt et al; infravermelho: NASA/JPL-Caltech

Geminga é um dos pulsares mais próximos, situado a apenas 800 anos-luz de distância da Terra e tem três caudas incomuns, segundo Posselt. Os fluxos de partículas expelidos dos alegados polos de Geminga, ou caudas laterais, se estendem por mais de meio ano-luz, mais de 1.000 vezes a distância entre o Sol e Plutão. Uma outra cauda, mais curta, também é ejetada pelo pulsar.

Os astrônomos disseram que uma imagem de uma PWN muito diferente pode ser vista no pulsar chamado B0355+54, que reside a cerca de 3.000 anos-luz da Terra. A cauda deste pulsar tem um tampão de emissão, seguido por uma cauda estreita dupla que se prolonga por quase cinco anos-luz para longe da estrela de nêutrons.

Enquanto Geminga mostra pulsos no espectro de raios-gama, mas permanece silencioso no rádio, B0355+54 é um dos pulsares de rádio mais brilhantes, mas não mostra emissão em raios-gama.

http://chandra.si.edu/photo/2017/geminga/geminga_b0355.jpg

O pulsar B0355+54 capturado em raios-X e infravermelho – Créditos: – raios-X – NASA/CXC/GWU/N. Klingler et al; infravermelho: NASA/JPL-Caltech

Bettina Posselt disse:

As caudas parecem dizer-nos porque é que isto é dessa forma.

Posselt explicou que o eixo de rotação dos pulsares e suas orientações magnéticas influenciam as emissões que podemos ver a partir da Terra.

De acordo com Bettina Posselt, o pulsar Geminga pode possuir polos magnéticos muito perto da parte superior e inferior do objeto e quase alinhados com polos de rotação, tal como aqui Terra. Um dos polos magnéticos de B0355+54 pode estar orientado diretamente para a Terra. Como a emissão de rádio ocorre perto do local dos polos magnéticos, as ondas de rádio podem apontar ao longo da direção dos jatos, disse ela. Por outro lado, a emissão de raios-gama é produzida em maiores altitudes e em uma região maior, permitindo com que os respetivos pulsos executem a varredura de áreas maiores do céu.

Bettina Posselt descatou:

Em Geminga, nós vemos os brilhantes pulsos de raios-gama e a borda do toro da PWN (nebulosa de vento pulsar), mas os feixes de rádio perto dos jatos apontam para os lados e permanecem invisíveis para nós aqui da Terra.

As caudas laterais fortemente encurvadas dão aos astrônomos pistas sobre a geometria do pulsar, que pode ser comparada com a dos jatos produzidos por aviões, ou talvez similares aos arcos de choque parecidos com as ondas criadas por uma bala viajando através do ar.

Oleg Kargaltsev, professor assistente de física e membro da Universidade George Washington, que trabalhou no estudo do pulsar B0355+54, alegou que a orientação de B0355+54 desempenha também um papel relevante no modo pelo qual os astrônomos enxergam o pulsar.

Oleg Kargaltsev explicou:

Para o pulsar B0355+54, um jato aponta diretamente para nós e dessa fora nós detectamos os brilhantes pulsos de rádio enquanto a maioria da emissão de raios-gama é direcionada no plano do céu e falha atingir a Terra. Isto implica que a direção do eixo de rotação do pulsar está alinhada com a nossa perspectiva e que o pulsar está se movendo perpendicularmente ao seu eixo de rotação.

Noel Klingler, assistente de pesquisa em física, membro da Universidade George Washington e autor principal do artigo sobre B0355+54, acrescentou que os ângulos entre os três vetores (o eixo de rotação, a linha de visão e a velocidade) são diferentes para pulsares distintos, afetando consequentemente a aparências de suas nebulosas.

Noel Klingler afirmou:

Em particular, deve ser complicado de se detectar uma PWN de um pulsar se movendo perto da linha de visão e tendo um pequeno ângulo entre o eixo de rotação e a nossa perspectiva visual.

Na análise do arco da frente de choque dos dados de raios-X do pulsar Geminga, as suas duas longas caudas e o seu espectro incomum podem sugerir que as partículas são aceleradas até quase à velocidade da luz por um processo chamado aceleração de Fermi. A aceleração de Fermi ocorre na interseção entre o vento de pulsar e o material interestelar, de acordo com os pesquisadores, os quais divulgaram as suas descobertas sobre Geminga no The Astrophysical Journal.

Embora diferentes interpretações permanecem ‘na mesa’ para a geometria de Geminga, Posselt destaca que as imagens do pulsar capturadas pelo observatório espacial Chandra estão ajudando os astrofísicos a usar pulsares como laboratórios da física de partículas. Estudar estes objetos fornece aos astrofísicos a oportunidade de investigar a física de partículas em condições que seriam impossíveis de se reproduzir através de um acelerador de partículas construído aqui na Terra.

Bettina Posselt concluiu:

Em ambos os cenários, Geminga nos fornece novas restrições excitantes sobre a física de aceleração em um PWN (nebulosa de vento pulsar) e sobre a sua interação com a matéria interestelar vizinha.

Fontes

Penn State News: A tale of two pulsars’ tails: Plumes offer geometry lessons to astronomers

Chandra: Geminga and B0355+54: Chandra Images Show That Geometry Solves a Pulsar Puzzle

Chandra: imagens dos pulsares

._._.

1611.03496v1 – Geminga s puzzling pulsar wind nebula

1610.06167v1 – Deep Chandra Observations of the Pulsar Wind Nebula Created by PSR B0355+54

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