IXPE ajuda a desvendar os segredos da famosa estrela explodida Cassiopeia A

Pela primeira vez, os astrônomos mediram e mapearam raios-X polarizados dos restos de uma estrela explodida, usando o Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) [1]. As descobertas, que vêm de observações de um remanescente estelar chamado Cassiopeia A, lançam nova luz sobre a natureza dos jovens remanescentes de supernovas, que aceleram partículas próximas à velocidade da luz.

Lançado em 9 de dezembro de 2021, o IXPE, uma colaboração entre a NASA e a Agência Espacial Italiana. O IXPE é o primeiro satélite que pode medir a polarização da luz de raios-X com esse nível de sensibilidade e clareza.

Todas as formas de luz – de ondas de rádio a raios gama – podem ser polarizadas. Ao contrário dos óculos de sol polarizados que usamos para cortar o brilho da luz do sol refletida em uma estrada ou para-brisa molhado, os detectores do IXPE mapeiam os rastros da luz de raios-X recebida. Os cientistas podem usar esses registros individuais para descobrir a polarização, que conta a história do que os raios X passaram.

Cassiopeia A (Cas A) [2] foi o primeiro objeto que o IXPE observou depois que começou a coletar dados. Uma das razões pelas quais o remanescente Cas A foi selecionado é o fato de que suas ondas de choque – como um estrondo sônico gerado por um jato – são algumas das mais rápidas da Via Láctea. As ondas de choque foram geradas pela explosão da supernova que destruiu uma estrela massiva após seu colapso. A luz da explosão passou pela Terra há mais de trezentos anos.

Pat Slane, do Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, que lidera as investigações IXPE de remanescentes de supernovas, explicou:

Sem o IXPE, perdemos informações cruciais sobre objetos como Cas A. Este resultado está nos ensinando sobre um aspecto fundamental dos detritos desta estrela explodida – o comportamento de seus campos magnéticos.

Pat Slane

Os invisíveis campos magnéticos empurram e puxam partículas carregadas em movimento, como prótons e elétrons. Mais perto de casa, eles são responsáveis ​​por manter os ímãs presos na geladeira da cozinha. Sob condições extremas, como a explosão de uma estrela, os campos magnéticos podem aumentar essas partículas até quase a velocidade da luz.

Apesar de suas velocidades super-rápidas, as partículas varridas por ondas de choque em Cas A não voam para longe do remanescente da supernova porque são capturadas por campos magnéticos na esteira dos choques. As partículas são forçadas a espiralar em torno das linhas do campo magnético, e os elétrons emitem um tipo intenso de luz chamada “radiação sincrotron”, que é polarizada.

Ao estudar a polarização dessa luz, os cientistas podem “fazer engenharia reversa” do que está acontecendo dentro da Cas A em escalas muito pequenas – detalhes que são difíceis ou impossíveis de observar de outras maneiras. O ângulo de polarização nos informa sobre a direção desses campos magnéticos. Se os campos magnéticos próximos às frentes de choque estiverem muito emaranhados, a mistura caótica de radiação de regiões com diferentes direções de campo magnético emitirá uma quantidade menor de polarização.

Estudos anteriores de Cas A com radiotelescópios mostraram que a radiação sincrotron de rádio é produzida em regiões em quase todo o remanescente de supernova. Os astrônomos descobriram que apenas uma fração das ondas de rádio eram polarizadas – cerca de 5%. Eles também determinaram que o campo magnético é orientado radialmente, como os raios de uma roda, espalhando-se perto do centro do remanescente em direção à borda.

Dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA, por outro lado, mostram que a radiação sincrotron de raios-X vem principalmente de regiões finas ao longo dos choques, perto da borda externa circular do remanescente, onde os campos magnéticos foram previstos para se alinhar com os choques. Chandra e IXPE usam diferentes tipos de detectores e têm diferentes níveis de resolução angular ou nitidez. Lançada em 1999, a primeira imagem científica de Chandra também foi de Cas A.

Antes do IXPE, os cientistas previam que a polarização de raios-X seria produzida por campos magnéticos perpendiculares aos campos magnéticos observados por radiotelescópios.

Em vez disso, os dados do IXPE mostram que os campos magnéticos em raios-X tendem a se alinhar em direções radiais mesmo muito perto das frentes de choque. Os raios-X também revelam uma quantidade menor de polarização do que as observações de rádio mostraram, o que sugere que os raios-X vêm de regiões turbulentas com uma mistura de muitas direções de campo magnético diferentes.

Jacco Vink, da Universidade de Amsterdã e principal autor do artigo que descreve os resultados do IXPE no Cas A, destacou:

Esses resultados do IXPE não eram o que esperávamos, mas, como cientistas, adoramos ser surpreendidos. O fato de uma porcentagem menor da luz de raios-X ser polarizada é uma propriedade muito interessante – e anteriormente não detectada – de Cas A.

Jacco Vink

O resultado do IXPE para Cas A está aguçando o apetite por mais observações de remanescentes de supernovas que estão em andamento. Os cientistas esperam que cada novo objeto observado revele novas respostas – e coloque ainda mais questões – sobre esses importantes objetos que semeiam o Universo com elementos críticos.

Riccardo Ferrazzoli, membro do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica/Instituto de Astrofísica Espacial e Planetologia em Roma, declarou:

Este estudo consagra todas as novidades que o IXPE traz para a astrofísica. Não apenas obtivemos informações sobre as propriedades de polarização de raios X pela primeira vez para essas fontes, mas também sabemos como elas mudam em diferentes regiões da supernova. Como primeiro alvo da campanha de observação do IXPE, Cas A forneceu um ‘laboratório’ astrofísico para testar todas as técnicas e ferramentas de análise que a equipe desenvolveu nos últimos anos.

Riccardo Ferrazzoli

O coautor Dmitry Prokhorov, também da Universidade de Amsterdã, concluiu:

Esses resultados fornecem uma visão única do ambiente necessário para acelerar elétrons a energias incrivelmente altas. Estamos apenas no começo desta história de detetive, mas até agora o Os dados do IXPE estão fornecendo novas pistas para rastrearmos.

Dmitry Prokhorov

Notas

[1] Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE ou SMEX-14) é um observatório espacial com três telescópios idênticos projetados para medir a polarização de raios-X cósmicos de buracos negros, estrelas de nêutrons e pulsares. O observatório, lançado em 9 de dezembro de 2021, é uma colaboração internacional entre a NASA e a Agência Espacial Italiana (ASI).

IXPE é parte do programa Explorers da NASA, que projeta espaçonaves de baixo custo para estudar heliofísica e astrofísica. A missão estuda objetos astronômicos exóticos e permite o mapeamento dos campos magnéticos de buracos negros, estrelas de nêutrons, pulsares, remanescentes de supernovas, magnetares, quasares e núcleos galácticos ativos. A radiação de raios-X de alta energia do ambiente ao redor desses objetos pode ser polarizada – oscilando em uma direção específica. Estudar a polarização dos raios-X revela a física desses objetos e pode fornecer informações sobre os ambientes de alta temperatura onde eles são criados.

[2] Cassiopeia A (Cas A) é um remanescente de supernova (SNR – Supernova Remnant) na constelação de Cassiopeia e a fonte de rádio extrassolar mais brilhante no céu em frequências acima de 1 GHz. A supernova ocorreu a aproximadamente 11.000 anos-luz (3,4 kpc) de distância dentro da Via Láctea, o anticentro galáctico. A nuvem em expansão de material que sobrou da supernova agora aparece com aproximadamente 10 anos-luz (3 pc) de diâmetro da perspectiva da Terra. Cas A tem sido observada em comprimentos de onda de luz visível com telescópios amadores de até 234 mm (9,25 pol.) com filtros.

Estima-se que a luz da própria supernova tenha chegado à Terra pela primeira vez perto da década de 1690, embora não haja registros definitivamente correspondentes desde então. Cas A é circumpolar em e acima das latitudes do meio do norte, que tiveram registros extensos e telescópios básicos. Sua provável omissão nos registros provavelmente se deve à poeira interestelar absorvendo radiação de comprimento de onda óptico antes de atingir a Terra (embora seja possível que tenha sido registrada como uma estrela de sexta magnitude ‘3 Cassiopeiae’ por John Flamsteed em 16 de agosto de 1680). As possíveis explicações se inclinam para a ideia de que a estrela fonte era extraordinariamente massiva e já havia ejetado muitas de suas camadas externas. Essas camadas externas teriam encoberto a estrela e reabsorvido grande parte da luz liberada quando a estrela interna entrou em colapso.

Cas A foi uma das primeiras fontes de rádio astronômicas discretas encontradas. Sua descoberta foi relatada em 1948 por Martin Ryle e Francis Graham-Smith, astrônomos em Cambridge, com base em observações com o Long Michelson Interferometer. O componente ótico do objeto foi identificado pela primeira vez em 1950.

Fonte

NASA’S IXPE Helps Unlock the Secrets of Famous Exploded Star

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