Estudo sobre mecanismo dos pulsares quer solucionar mistério de meio século

Ilustração: Centro Espacial Goddard, Nasa

Quando Jocelyn Bell observou pela primeira vez a emissão de uma pulsar, em 1967, os pulsar rítmico das emissões das ondas de rádio perturbaram tanto os astrônomos que eles consideraram que talvez fossem sinais enviados por uma civilização alienígena. 

As estrelas se comportam como faróis estelares, disparando  feixes de ondas de rádio de seus polos magnéticos. Por mais de meio século, esses feixes perturbaram os cientistas. Agora, uma equipe de pesquisadores suspeitam ter  finalmente identificaram o mecanismo responsável por gerá-los. A descoberta poderia beneficiar os  projetos que se baseiam no timing das emissões dos pulsares, como por exemplo os estudos de ondas gravitacionais. 

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 A explicação  proposta pelos  pesquisadores começa  com os fortes campos elétricos dos pulsares, que arrancam  elétrons da superfície da estrela e os aceleram até energias extremas. Por fim, os elétrons acelerados começam a emitir raios gama de alta energia. Esses raios gama, quando absorvidos pelo campo magnético muito forte do pulsar, produzem uma inundação de elétrons a mais, bem como de  suas partes de antimatéria, os pósitrons. 

As partículas “recém-nascidas” carregadas diminuem os campos elétricos, fazendo com que eles oscilem. A oscilação dos campos elétricos  na presença dos fortes campos magnéticos do pulsar resultam então em ondas eletromagnéticas que escapam para o espaço. Utilizando de simulações feitas com plasmas, os pesquisadores descobriram que essas ondas eletromagnéticas correspondem às ondas de rádio que se observou virem dos pulsares. 

“O processo parece muito com um relâmpago”, diz o autor principal do estudo, Alexander Philippov, pesquisador associado no Centro para Astrofísica Computacional no Instituto Flatiron na Cidade de Nova York. “De repente surge uma carga poderosam produzindo uma nuvem de elétrons e pósitrons, e então, como aquele brilho que surge após o pôr do Sol, vem as ondas eletromagnéticas”. 

Philippov e os colaboradores Andrey Timokhin, da Universidade de Zielona Góra na Polônia e Anatoly Spitkovsky na Universidade de Princeton apresentaram suas descobertas no dia 15 de junho na revista Physical Review Letters.

Os pulsares são estrelas de nêutrons, os remanescentes muito densos e altamente magnetizados de uma estrela que entrou em colapso. Mas, diferentemente de outras estrelas de nêutrons, os pulsares rotacionam em velocidades estonteantes: alguns chegam a  700 rotações  por segundo. Essa rotação gera campos elétricos poderosos. 

Nos dois pólos magnéticos dos pulsares, feixes contínuos de ondas de rádio são lançados ao espaço. Essas emissões de rádio são especiais pois são coerentes, o que significa que as partículas que as criam se movem em sintonia umas com as outras. Conforme a pulsar rotaciona, os feixes varrem o espaço em círculos. Vistos da Terra, a medida que conforme os feixes se movem para dentro e para fora do nosso campo de visão, os pulsares parecem piscar. O ritmo dessas “piscadelas” é tão regular  que  rivalizam com a precisão dos relógios atômicos. 

Por décadas, astrônomos ponderaram sobre a origem desses feixes mas falharam em produzir uma explicação viável. Philippov, Timokhin e Spitkovsky utilizaram uma abordagem nova para o problema, criando simulações em 2D do plasma que cerca os pólos magnéticos de um pulsar (as simulações anteriores eram feitas apenas em 1D, o que não consegue mostrar ondas eletromagnéticas).

A simulação replicou o modo como um campo elétrico de um pulsar consegue acelerar partículas carregadas. Essa aceleração produz fótons de alta energia que interagem com o campo magnético intenso do pulsar para produzir pares de elétrons-pósitrons, que são então acelerados por esses campos elétricos e criam ainda mais fótons. Esse processo por fim completa a região com pares de elétrons e pósitrons. 

Nas simulações, os pares de elétrons e pósitrons criaram seus próprios campos elétricos que por sua vez se opuseram ao campo elétrico inicial e o diminuíram. Eventualmente, o campo elétrico original se tornou tão fraco que chegou a zero e começou a oscilar entre valores negativos e positivos. Esse campo elétrico oscilante, se não estiver alinhado exatamente com o campo magnético poderoso do pulsar, produz radiação eletromagnética. 

 Os pesquisadores planejam aperfeiçoar  suas simulações para chegarem mais próximos da física real de um pulsar e, no futuro, provar como o processo funciona. Philippov espera que seu trabalho ajude aos pesquisadores que dependem de uma observação perfeita do timing das emissões de pulsar que chegam à Terra.  Os astrônomos de ondas gravitacionais, por exemplo, medem pequenas flutuações no ritmo de pulsares para detectar a passagem das ondas gravitacionais que alargam e comprimem  o “tecido”  do espaço-tempo. 

Publicado em 16/06/2020