Como rajadas rápidas em rádio podem ser produzidas em sistemas binários de estrelas de nêutrons?

Título: Fast Radio Bursts from Interacting Binary Neutron Star Systems

Autor: Bing Zhang

Instituição do primeiro autor: Department of Physics and Astronomy, University of Nevada, EUA

Status: Publicado no ApJL [acesso aberto no arXiv]

Rajadas rápidas em rádio (FRBs, do inglês fast radio bursts) são pulsos transientes em rádio que duram alguns milissegundos e apresentam grande medidas de dispersão (MDs), A MD consiste no atraso temporal entre os sinais de rádio em diferentes frequências causado pela elétrons livres durante a travessia do meio intergaláctico. Vários FRBs se repetiram, sendo então conhecidos como FRBs repetidores.

Figura 1. A evolução da frequência do FRB (painel principal) e a forma do pulso integrado (painel sobreposto), cujos dados foram coletados em 24 de Abril de 2001. Cŕedito: Figura 2 de Lorimer et al. 2007.

Desde a descoberta do primeiro FRB em 2007, muitos outros foram encontrados. A Figura 1 mostra algumas propriedades deles. O painel principal mostra um gráfico da rajada dispersada em função da frequência versus o tempo (um gráfico tipo “cachoeira”), e mostra que a MD da figura é grande ((375±1 cm-3 pc). O painel sobreposto mostra a potência total do sinal em rádio após corrigir a dispersão da rajada. Como as MDs de alguns FRBs são muito grandes, é provável que a fonte deste objeto venha de fora da Via Láctea. A utilidade da MD do FRB para estudar objetos extragalácticos despertou interesse na pesquisa em FRBs.

Apesar do rápido progresso no campo de FRBs, uma pergunta permanece – qual a origem dos FRBs?

Observações recentes (como esta aqui, em inglês) encontraram que FRBs repetidores são relativamente comuns, e que FRBs localizados existem tanto em galáxias velhas como jovens, formadoras de estrelas. Existem poucas propriedades de FRBs repetidores que restringem modelos de progenitores. Por exemplo, a alta taxa de rajadas repetidoras sugere que não é necessário muita energia para produzi-las. Além disso, a taxa de rajada do FRB 121102 (um FRB repetidor que se acredita estar localizado em uma galáxia anã a 3 bilhões de anos-luz da Terra) não diminuiu no curso de vários anos. Ainda mais, durante vários anos de observações, a MD do FRB121102 não mudou significativamente enquanto a evolução rápida da medida de rotação (MR) do FRB 180301 (outra fonte FRB repetidora) foi observada. Rápida evolução da MR implica na presença de um meio dinâmico e altamente magnetizado próximo da fonte FRB. As observações de MD e MR são evidência de mudanças a longo e curto prazo, respectivamente.

O que poderia explicar as características observadas dos FRBs repetidores?

Modelos anteriores de FRBs de colisões de sistemas binários de estrelas de nêutrons (SBEN) se concentraram no período anterior à colisão, quando os FRBs resultantes eram eventos únicos. Aqui, os autores apresentam uma nova hipótese para produção de FRBs repetidores a fim de explicar todas essas características observacionais. Décadas e centenas de anos antes das colisões, as magnetosferas de duas estrelas de nêutrons interagiriam indefinidamente entre si em sistemas binários. Quando as linhas de campo magnéticos das magnetosferas de cada estrelas de nêutrons individualmente se aproximam umas das outras, elas se disconectam ou colidem com outras linhas de campo magnético e assim se realinham, liberando uma grande quantidade de energia. Este processo é chamado de reconexão magnética, mostrado na figura 2. O processo de reconexão magnética converte a energia armazenada no campo magnético em calor e energia cinética, permitindo partículas fluírem ao longo das linhas deste campo. As partículas que carregam energia interagem, então, com o meio ao seu redor a fim de produzir feixes de radiação. Desta forma, FRBs seriam detectados quando estes feixes brilhantes de radiação estão apontados para a Terra.

Figura 2. Um diagrama de um modelo de reconexão magnética no Sol [Créditos: NASA]

Que previsões este modelo faz?

De acordo com este modelo, pode se inferir que fontes de FRB repetidoras são também fontes de ondas gravitacionais (OGs), que então podem ser detectadas por futuros detectores espaciais de OGs como LISA, TaiJi e TianQin. Este modelo também prevê que, quando duas estrelas de nêutrons se aproximam uma da outra, a atividade da rajada das fontes repetidoras de FRBs (como FRB 121102 e FRB180301) aumentariam com o tempo, ao invés de diminuir.

Durante a revisão deste artigo, novas observações foram feitas: observou-se que a fonte repetidora do CHIME FRB180916.J0158+65 possui um período de 16 dias, o que é consistente com o período orbital de um SBEN. O problema é que o período orbital previsto no artigo de hoje é de 100 segundos, logo, muito mais curto do que o deste objeto.

O artigo de hoje fornece um modelo para explicar a origem dos FRBs. Este modelo de produção de FRBs baseado em SBEN é bem sucedido em explicar muitas características observacionais, tal como a alta incidência de FRB, a rápida evolução da MR, a pouca evolução da MD, assim por adiante. Mas existem algumas limitações. Por exemplo, este modelo não consegue explicar o período de rotação de 16 dias do FRB 180916.J0158+65. Conforme mais FRBs forem detectados, a questão sobre seus progenitores deve ser esclarecida.


Adaptado de How Can Fast Radio Bursts be Produced in Binary Neutron Star Systems?, escrito por Yujia Wei para o Astrobites.

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