Agulhas em um palheiro: em busca de estrelas de nêutrons isoladas em um enorme catálogo

Título: Candidate isolated neutron stars in the 4XMM-DR10 catalog of X-ray sources

Autores: Michela Rigoselli, Sandro Mereghetti, Caterina Tresoldi

Instituição do primeiro autor: INAF, Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Itália

Status: aceito para publicação no MNRAS [acesso aberto no arXiv]

featured
Figura 1: impressão artística do teléscopio XMM-Newton, um dos principais detectores de raios-X nas últimas duas décadas, que vem observando buracos negros supermassivos, procurando por matéria escura e encontrando misteriosas fontes transientes de alta energia. Um grande catálogo de fontes foi lançado recentemente pela equipe do XMM-Newton, e astrônomos rapidamente se engajaram na exploração desses dados. Crédito da imagem: ESA-C. Carreau.

Tudo no universo brilha – planetas, estrelas, você, eu e até bananas. A termodinâmica nos diz que tudo que tem uma temperatura acima do zero absoluto emite uma certa quantidade de radiação, por menor que seja. Objetos mais quentes emitem essa energia em comprimentos de onda mais curtos, enquanto objetos mais frios emitem essa luz em comprimentos de onda mais longos. O termo técnico para essa radiação é “radiação de corpo negro“, normalmente chamada de radiação térmica por astrônomos. Essa radiação térmica contrasta com outras maneiras pelas quais objetos astronômicos podem emitir energia, que são apropriadamente classificadas como radiação não-térmica. A radiação não-térmica inclui mecanismos como a radiação síncrotron, frequentemente detectada em objetos com campos magnéticos fortes, que podem acelerar partículas elétricas a velocidades relativísticas. Na Terra, uma das mais avançadas fontes de luz síncrotron do mundo está no Brasil, no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS).

Muitos objetos astronômicos são observados principalmente por meio de sua radiação térmica, mas há algumas exceções notáveis. Estrelas de nêutrons – o resultado da evolução de estrelas massivas, que deixam apenas seus núcleos densos e magnetizados para trás após sua morte – frequentemente emitem ondas de rádio através de mecanismos não-térmicos que ainda não são compreendidos completamente. Esses objetos são conhecidos como pulsares e constituem uma fração substancial de todas as estrelas de nêutrons conhecidas. Estrelas de nêutrons que não pulsam, ou cujos feixes de rádio não estão apontados na direção da Terra, são muito mais difíceis de detectar. Podemos buscar por esses objetos procurando por qualquer emissão térmica que eles emitem. Como as estrelas de nêutrons são extremamente quentes, com temperaturas em torno de centenas de milhares a milhões de Kelvin, sua emissão térmica atinge o pico em raios-X. Portanto, uma maneira de detectar estrelas de nêutrons silenciosas e isoladas é procurar fontes de raios-X que apresentem um espectro característico. O artigo de hoje apresenta os resultados de uma pesquisa meticulosa em um catálogo de raios-X com mais de meio milhão de objetos. O resultado? Possivelmente quatro estrelas de nêutrons nunca antes vistas.

Os autores do artigo de hoje utilizaram o catálogo 4XMM-DR10 lançado recentemente, que contém 849.991 detecções feitas pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton (Figura 1). Algumas dessas detecções vêm da mesma fonte, reduzindo a amostra para 575.158 fontes – um número ainda bastante alto para ser examinado manualmente. Para diminuir o tamanho da amostra, o grupo criou vários testes para eliminar um grande número de fontes imediatamente. Eles começaram eliminando detecções em que havia problemas instrumentais, ou que não eram pontuais (como esperado de uma estrela de nêutrons distante), ou que variavam no tempo (já que a radiação térmica de estrelas de nêutrons é constante). Eles então consideraram as taxas de dureza (Figura 2), que descrevem como o espectro de raios-X de uma fonte varia com a energia dos fótons, e eliminaram as fontes restantes com grandes incertezas nessas taxas. Com esses processos de eliminação, restaram apenas 34.141 fontes na amostra.

fig1
Figura 2: taxas de dureza medem a proporção entre as contagens de fótons em duas bandas de energia subsequentes em um espectro. HR1 mede as regiões 0,5–1,0 keV e 0,2–0,5 keV, e HR2 mede as regiões 1–2 keV e 0,5–1 keV (1 keV = 1000elétron-volts). A figura mostra essas taxas de dureza para todas as fontes pontuais no catálogo 4XMM-DR10, juntamente com curvas denotando regiões em que diferentes tipos de objetos se concentram. Os núcleos de galáxias ativos, que tem espectros não-térmicos, estão na região central, acima da linha azul. Estrelas emitindo radiação-térmica em raios-X são encontradas no canto inferior direito, abaixo da linha verde. A linha vermelha representa um corpo-negro com temperatura de 580,000 K (cerca de cem vezes mais quente que o Sol). Figura 1 no artigo.

As etapas finais do artigo envolveram o espectro específico de uma fonte. Estrelas de nêutrons com emissão térmica são muito fracas nos comprimentos de onda óptico e infravermelho. Além disso, seus espectros de raios-X são suaves, o que significa que há mais raios-X de baixa energia (em torno de 1 keV) do que raios-X de alta energia (> 10 keV). Eliminando detecções que não apresentavam essa tendência deixaram os astrônomos com 469 detecções de 140 fontes. 93 dessas fontes revelaram-se espúrias ou tinham contra-partes ópticas, o que não é esperado de estrela de nêutrons. Outras 41 fontes eram objetos conhecidos – supernovas, sistemas binários de raios-X, núcleos de galáxias ativas ou estrelas de nêutrons previamente descobertas. Eliminando esses objetos deixou apenas 6 novas fontes com 15 detecções no total – cerca de 0,01% de todo o catálogo!

O catálogo 4XMM-DR10 não continha dados suficientes para o grupo estudar adequadamente todos os seis objetos, então eles analisaram dados adicionais do arquivo do XMM-Newton e de dois outros observatórios de alta energia no espaço, Chandra e Swift. Esses dados mostraram que duas das seis fontes não eram boas candidatas a estrelas de nêutrons isoladas: o espectro de uma não correspondia bem a um corpo-negro, enquanto outra mostrou variabilidade e emissão óptica, sendo mais consistente com um núcleo de galáxia ativa ou um sistema de estrelas binárias emitindo em raios-X.

As quatro fontes restantes podem muito bem ser estrelas de nêutrons que emitem termicamente, mas ainda não há informações suficientes para afirmar com certeza. Diferentes tipos de observações são necessários. Por exemplo, como esperamos que essas estrelas de nêutrons estejam em nossa Galáxia, devemos ser capazes de detectar seu movimento em relação à Terra (o que não é o caso, por exemplo, para núcleos de galáxia ativa), portanto medidas astrométricas poderiam trazer mais evidência de que os objetos são de fato estrelas de nêutrons. Se os autores estiverem certos, deve haver muito o que estudar sobre esses objetos, como por exemplo buscar por uma companheira binária. Esses resultados também levam à pergunta: o que mais poderia estar escondido nas outras 575.154 fontes?


Adaptado de Needles in a haystack: Searching for isolated neutron stars in a massive catalog, escrito por Graham Doskoch.

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s