Os pulsares são basicamente faróis cósmicos. São estrelas de nêutrons que giram rapidamente, os cadáveres superdensos de estrelas massivas que explodiram como supernovas. Esses objetos são incrivelmente densos. Uma única estrela de nêutrons tem entre 1,18 e 1,97 vezes a massa do nosso Sol em uma esfera de apenas 20 quilômetros de largura. A maioria fica em torno de 1,35 massa solar.
Eles giram. Rápido.
O primeiro desses objetos foi encontrado em 1967 por Antony Hewish e Jocelyn Bell na Universidade de Cambridge. Eles usaram um radiotelescópio projetado para captar flutuações rápidas em fontes de rádio. O que eles viram foram pulsos extremamente regulares. Alguns pulsares emitem ondas de rádio. Outros piscam em luz visível, raios X ou radiação gama. Existem até aqueles silenciosos que só gritam em comprimentos de onda de raios X ou gama.
O mecanismo é simples, mas violento. Quando uma estrela entra em colapso, os nêutrons na superfície decaem em prótons e elétrons. Essas partículas carregadas são arrancadas da superfície e atingem um intenso campo magnético. Estamos falando de 10^12 gauss aqui. Para fins de contexto, o campo magnético da Terra é fraco de 0,5 gauss.
As partículas aceleram a velocidades próximas da da luz. Eles emitem radiação síncrotron. Isso dispara raios intensos dos pólos magnéticos. Mas aqui está o problema: os pólos magnéticos não se alinham com os pólos rotacionais. Assim, à medida que a estrela gira, esses raios varrem o espaço. Se a Terra estiver no caminho, detectamos um pulso constante e rítmico.
Desde essa primeira descoberta, os astrónomos encontraram cerca de 2.000 pulsares. Eles não estão espalhados aleatoriamente. A maioria se aglomera em torno do plano da Via Láctea.
O recorde de velocidade
Os pulsares variam enormemente na velocidade com que giram. O pulsar mais lento observado leva cerca de 11,8 segundos para completar uma rotação. Isso é lento para uma estrela.
Então você tem os pulsares de milissegundos.
Por mais de duas décadas, o recordista foi o PSR J1939+2134. Descoberto em 1982, gira 642 vezes por segundo. Seu período é de apenas 1,55 milissegundos.
Em 2006, esse recorde foi quebrado. J1748−2446ad gira 716 vezes por segundo. Seu período é de 1,396 milissegundos.
Por que existe um limite? Força centrífuga. Se uma estrela de nêutrons gira muito mais rápido, a força em seu equador supera a gravidade. A estrela se despedaçaria. A velocidade de escape na superfície de uma estrela de nêutrons é cerca de metade da velocidade da luz. A atração gravitacional é muito forte. No entanto, estas estrelas vão contra o limite teórico.
Pulsares de milissegundos geralmente se formam em sistemas estelares binários. A estrela de nêutrons agrega matéria de sua companheira após a supernova. Essa massa adicional e momento angular aumentam a rotação. É como um patinador artístico puxando os braços, mas em escala galáctica.
Falhas e ondas gravitacionais
Os pulsares estão desacelerando. Muito lentamente. Normalmente, um milionésimo de segundo por ano.
Esta desaceleração permite aos astrónomos calcular uma “idade característica”. Você pega o período atual e o divide pela taxa de desaceleração. É uma estimativa aproximada. Às vezes corresponde à idade real. O Pulsar Caranguejo, nascido de uma supernova em 1054 dC, tem uma idade característica de 1.240 anos. Isso está perto.
Outras vezes, está desligado. Pulsar J0205+6449 formado em 1181 dC. Sua idade característica é de 5.390 anos. Isso está muito errado.
Como a desaceleração é tão gradual, esses objetos são relógios incrivelmente precisos. E porque têm campos gravitacionais tão fortes, são cobaias perfeitas para teorias da gravidade.
Em 1993, Joseph Taylor e Russell Hulse ganharam o Prêmio Nobel de Física. Eles estudaram o pulsar PSR 1913+16. Está em uma órbita estreita com outra estrela de nêutrons. A gravidade das duas estrelas interfere na regularidade dos pulsos de rádio. Ao cronometrar essas variações, Taylor e Hulse viram as estrelas girando cada vez mais rápido em uma órbita cada vez menor.
Eles estavam perdendo energia. A única explicação eram as ondas gravitacionais. Esta foi a primeira prova experimental de ondas previstas por Albert Einstein em sua teoria geral da relatividade.
Depois, há as falhas.
Uma falha é um salto repentino no período do pulsar. Ele gira e depois desacelera gradualmente até o valor anterior à falha. Isso acontece por causa de “starquakes”. A rígida crosta de ferro da estrela racha. Ou o acoplamento entre a crosta e o fluido interior muda. Normalmente, o interior gira mais rápido que a crosta. Às vezes a crosta alcança. Ou escorregões. O tempo muda.
Usamos essas falhas para investigar a estrutura interna de estrelas que não podemos ver. Mapeamos o invisível observando a luz piscar.
“Essas taxas de rotação estão próximas do limite teórico para um pulsar porque uma estrela de nêutrons girando apenas cerca de quatro vezes mais rápido se separaria.”
É estranho pensar que a morte de uma estrela possa se tornar uma ferramenta para medir o próprio tempo. Ou provar que Einstein estava certo décadas antes de podermos detectar as ondulações no espaço-tempo. A Nebulosa do Caranguejo brilha. Os pulsares de milissegundos funcionam. E nós apenas ouvimos.
Ainda existem pulsares silenciosos por aí. Não sabemos onde estão todos. A Via Láctea é grande. O universo é maior. E os faróis continuam girando.
Os pulsares Caranguejo e Vela não são apenas piões. Eles são motores vampiros de energia, diminuindo a velocidade de rotação tão rapidamente que a perda de energia se manifesta em todo o espectro eletromagnético. Isto não é apenas teoria. É uma realidade observável, piscando em nossos detectores a cada milissegundo.
Pegue o Pulsar do Caranguejo. Em fotografias ópticas, parece uma estrela modesta de magnitude 16 situada bem no coração da Nebulosa do Caranguejo. Mas quando você olha mais de perto, a luz não brilha apenas. Ele pulsa. Os astrónomos do Observatório Steward, no Arizona, detectaram exactamente este comportamento em 1968, pouco depois da descoberta inicial do rádio. A luz visível pisca exatamente na mesma proporção que as ondas de rádio. Ele também emite pulsos regulares de raios X e raios gama. É um farol de vários comprimentos de onda.
Depois, há o Vela Pulsar. É muito mais fraco na luz visível, oscilando em torno da magnitude 24. Você precisa de equipamento sério para vê-lo. Uma pesquisa sensível em 1977, utilizando o grande Telescópio Anglo-Australiano em Parkes, conseguiu localizá-lo. Vela também pulsa em raios X. Mas sua fama são os raios gama. É a fonte mais intensa dessa radiação em todo o céu. Pulsos de raios gama regulares e previsíveis.
A mecânica de acréscimo e anomalias
Nem todos os pulsares de raios X seguem as mesmas regras. Alguns são pulsares de “acreção”. Eles vivem em sistemas binários. A estrela de nêutrons extrai material de sua estrela companheira. Essa matéria cai pelas linhas do campo magnético, colidindo com as calotas polares magnéticas. O impacto libera raios X. É uma rota de colisão cósmica.
Então você tem a classe “anômala”. Isso é estranho. Seus períodos se estendem por mais de cinco segundos. Eles explodiram com atividade de raios X de forma imprevisível. Eles estão frequentemente ligados a remanescentes de supernovas. Esses objetos nascem de estrelas de nêutrons altamente magnetizadas, conhecidas como magnetares. Seus campos magnéticos variam entre 10^14 e 10^15 gauss. Isso é inimaginavelmente forte.
Esses magnetares também se sobrepõem a outro grupo: repetidores suaves de raios gama. Eles não apenas pulsam. Eles estouraram. Explosões repetidas de raios gama que iluminam o cosmos em flashes caóticos.
O Mistério Somente Gama
Alguns pulsares não emitem ondas de rádio. Eles brilham apenas em raios gama. O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi mudou o jogo aqui. Em 2008, encontrou o primeiro pulsar dentro do remanescente de supernova CTA 1. Desde então, adicionou mais onze à lista.
O mecanismo de emissão aqui desafia os modelos padrão. Os pulsares de rádio recebem seu sinal de feixes de partículas que saem dos pólos magnéticos. Pulsares somente de raios gama não funcionam dessa maneira. A emissão acontece longe da superfície da estrela de nêutrons. A física por trás dessa emissão lacunar permanece uma caixa preta.
Sabemos que eles existem. Podemos contá-los. Mas o processo físico preciso que gera estes pulsos de raios gama ainda é desconhecido. O motor funciona, a luz pisca, mas ainda estamos adivinhando a mecânica.
