Cenas de um universo violento

O Chandra X-Ray Observatory assiste a catástrofes entre as estrelas.

Quatrocentos anos depois Galileu Galilei apontou o primeiro telescópio para as estrelas, os astrónomos inventaram instrumentos que poderiam olhar para além do que os telescópios ópticos revelam. O Chandra X-Ray Observatory, lançado em 23 de julho de 1999, a bordo do ônibus espacial Columbia , é um descendente altamente sofisticado dos primeiros instrumentos de raios-X. Orbitando 85.000 milhas acima da Terra e operado pelo Observatório Astrofísico do Smithsonian em Cambridge, Massachusetts, o telescópio foi projetado para detectar emissões de raios-X de regiões extraordinariamente quentes do universo. Ao longo de quase duas décadas, Chandra revelou um universo de ambientes violentos e extremos. Com ele, os cientistas estudaram campos gravitacionais e magnéticos intensos em torno de buracos negros, ondas de choque de supernova e colisões titânicas entre aglomerados de galáxias.

Texto adaptado do Cosmos de Chandra: Matéria Negra, Buracos Negros e Outras Maravilhas Reveladas pelo Primeiro Observatório de Raio X da NASA , de Wallace H. Tucker, a ser publicado em 28 de março de 2017 pela Smithsonian Books.

A propagação de Star Stuff

Nas estrelas maciças, a fusão nuclear transforma hidrogênio em hélio e, eventualmente, em elementos mais pesados. Os ventos estelares e as explosões de supernovas, que ocorrem quando a estrela consome seu combustível, espalham esses elementos pesados ​​no espaço. Um dos maiores sucessos de Chandra foi o rastreamento de como esses elementos se espalharam e até mesmo entre galáxias.

As imagens de Chandra, como a acima da galáxia M82, mostram a velocidade das ondas de choque de supernova espalhando oxigênio, silício, enxofre, cálcio e ferro. Esses elementos podem eventualmente coalescer para criar novas estrelas com planetas. Chandra detectou até mesmo o oxigênio produzido em algumas das primeiras supernovas, há 10 bilhões de anos, em filamentos de gás, milhões de anos-luz de comprimento, estendendo-se entre galáxias.

O alvo para a primeira observação de Chandra, feita há 17 anos, era Cassiopeia A, restos de uma supernova. Cas A, uma fonte forte de raios-X, tinha sido observada por todos os telescópios de raios-X, portanto a qualidade da imagem de Chandra seria um teste de quão bom este novo telescópio era.

Cientistas e engenheiros que trabalharam no telescópio por mais de uma década se aglomeraram na frente de um monitor de computador. Às 20h40 do dia 26 de agosto de 1999, estava lá: uma imagem deslumbrante dos restos de uma estrela que explodiu a 10 mil anos-luz de distância. Foi a melhor imagem de raios-X já feita de um objeto fora do nosso sistema solar. A equipe rapidamente notou um pequeno ponto brilhante no meio do remanescente. Em seu primeiro olhar, Chandra descobriu o que nenhum telescópio anterior havia descoberto: a estrela de nêutrons deixada pela explosão que havia produzido Cas A três séculos e meio mais cedo.

Primeira luz de Chandra

O alvo para a primeira observação de Chandra, feita há 17 anos, era Cassiopeia A, restos de uma supernova. Cassiopéia (Cas A), uma fonte forte de raios-X, tinha sido observada por todos os telescópios de raios-X, portanto a qualidade da imagem de Chandra seria um teste de quão bom este novo telescópio era.

Cientistas e engenheiros que trabalharam no telescópio por mais de uma década se aglomeraram na frente de um monitor de computador. Às 20h40 do dia 26 de agosto de 1999, estava lá: uma imagem deslumbrante dos restos de uma estrela que explodiu a 10 mil anos-luz de distância. Foi a melhor imagem de raios-X já feita de um objeto fora do nosso sistema solar. A equipe rapidamente notou um pequeno ponto brilhante no meio do remanescente. Em seu primeiro olhar, Chandra descobriu o que nenhum telescópio anterior havia descoberto: a estrela de nêutrons deixada pela explosão que havia produzido Cas A três séculos e meio mais cedo.

 

O centro galáctico quente

Vivemos nos subúrbios da Via Láctea, longe do centro da galáxia. A poeira e o gás produzidos pelos milhões de estrelas entre nós e o centro tornam impossível que até mesmo os mais poderosos telescópios ópticos vejam essa região. Felizmente, rádio, infravermelho, raios X e radiação de raios gama podem viajar através da poluição galáctica. A habilidade única de Chandra de resolver fontes de raios-X tão pequenas quanto 0,1 anos-luz de diâmetro levou a grandes avanços na compreensão da atividade de alta energia na Via Láctea interna anteriormente obscurecida.

Esta imagem panorâmica do raio X mostra uma vista do centro galáctico que estende para fora 400 por 900 anos-luz. Há remanescentes de supernova (o lado direito de Sagitário A, outro remanescente rotulado “SNR 0.9-0.1” e um filamento esticado por ventos estelares: o “Raio X”), fontes luminosas de raios X binários contendo um buraco negro ou Uma estrela de nêutrons (1E) e centenas de fontes pontuais que são estrelas de nêutrons ou anãs brancas que iluminam a região. As estrelas maciças nos arcos e outros conjuntos de estrela (DB) em breve explodirão para produzir mais supernovas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Os telescópios de infravermelhos e de rádio também revelaram nuvens moleculares formadoras de estrelas gigantes (Sagittarius A, B1, B2 e C e a nuvem de gás fria perto do Radio Arc), cujas bordas estão brilhantes com raios-X devido ao aquecimento das proximidades Supernovas.

O que fica para trás?

Quando uma estrela super-pesada, com a massa de mais de 30 sóis, atinge o fim de sua vida útil e explode em uma supernova, o núcleo remanescente estabiliza em uma estrela de nêutrons compacta, ou desmorona completamente – em um buraco negro. Como a supernova envolve o núcleo em uma nuvem de gás ejetado, pode ser difícil detectar se o resultado é uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Um dos melhores candidatos para um buraco negro no centro de um remanescente de supernova é W49B. A forma incomum da nuvem indica que quando a estrela explodiu, ele ejetou grande parte de sua matéria ao longo de seus pólos. Os astrônomos usaram Chandra em uma busca intensiva de evidências de uma estrela de nêutrons, mas chegaram vazios, um achado que sugere que a supernova deixou um buraco negro em vez disso. A supernova ocorreu cerca de 1.000 anos atrás, por isso, se W49B contém um buraco negro, seria o mais jovem jamais descoberto.

Explosões de Buraco Negro

Cygnus A é um dos exemplos mais espetaculares de um buraco negro supermassivo produzindo jatos de rádio e de raios-X. Esta imagem, uma combinação de observações de Chandra (em azul) e aquelas do radiotelescópio Very Large Array (em vermelho), mostra uma grande nuvem em forma de futebol de gás quente que se estende por várias centenas de milhares de anos-luz. As regiões fracas, ou cavidades, são evidências de explosões repetidas do buraco negro.

Cygnus A está localizado dentro de um aglomerado de galáxias, e alguns astrônomos acreditam que foi formado por uma colisão maciça que criou o buraco negro e forneceu o gás e poeira que agora alimentá-lo, resultando na enorme saída de energia Chandra observa.

Aguardando uma estrela de neutrão

Em 1987, uma estrela na Grande Nuvem de Magalhães explodiu, dando aos astrofísicos um lugar na primeira fila de um dos maiores espetáculos da natureza: Foi a supernova mais brilhante conhecida em quase 400 anos, visível mesmo sem um telescópio.

Chandra vem observando o remanescente desde o começo da missão do telescópio, 12 anos depois que a estrela explodiu. As observações traçaram o caminho da onda de choque e sondaram o gás em torno da estrela, e os resultados confirmaram as idéias básicas dos astrônomos de como uma supernova progride após o colapso do núcleo de uma estrela. Cerca de 16 anos após a explosão, a onda de choque se moveu e iluminou um anel denso de gás que foi criado em torno da estrela muito antes da explosão. Aos 26 anos, em meados de 2013, a intensidade de raios-X foi achatada, pois a onda de choque aparentemente deixou o material denso e se moveu para o espaço além.

Os astrofísicos estão esperando que eles e Chandra ainda estejam por perto para a aparência da estrela de nêutrons que acreditam que a supernova deixou para trás. Chandra ainda não detectou nada pela poeira e gás, e poderia ser mais cem anos antes que o véu se eleva.

Descoberta de Tycho

A supernova de 1572 ocorreu antes da invenção do telescópio, num momento em que o conceito de uma estrela em explosão era menos plausível do que a bruxaria. Mas quando uma estrela mais brilhante do que o planeta Vênus apareceu de repente na constelação Cassiopeia, foi observado em grande parte do mundo. O astrônomo Tycho Brahe viu-o imediatamente e fez descrições detalhadas da nova estrela, ou nova, que mais tarde foi nomeada para ele. A explosão da estrela quebrou a crença amplamente aceita de que as estrelas eram objetos estáticos.

Sabemos agora que quando ocorre uma supernova, a matéria interestelar é varrida pela onda de choque para dentro de uma casca fina. Este material, que é principalmente gás de hidrogênio com alguns elementos mais pesados ​​e grãos de poeira, é aquecido a milhões de graus e dividido em prótons e elétrons, que são acelerados a energias extremamente altas. Os elétrons que espiralam em torno do campo magnético atrás da onda de choque produzem a radiação sobre uma escala larga dos wavelengths, do rádio aos raios X.

À medida que a supernova se expande, a concha da matéria interestelar também exerce uma pressão para trás sobre a matéria sendo ejetada mais lentamente da estrela. Esta pressão impulsiona o que é chamado de onda de choque inversa. Encontramos ondas inversas ao dirigir em tráfego de hora de ponta na estrada: um veículo muito à frente de nós pode bater nos freios para evitar um perigo de estrada. O próximo veículo na pista travará para evitar uma colisão, e assim por diante, enviando uma onda de travagem e luzes de freio se movendo para trás na pista. De forma semelhante, a onda de choque inversa varre a ejeta estelar e aquece-a a milhões de graus.

Com Chandra, tornou-se possível observar tanto a onda de choque inicial quanto o material aquecido pela onda de choque inversa. A imagem de Chandra do remanescente da supernova de Tycho mostra a onda de choque dianteira delineada pelos arcos circulares azuis notavelmente afiados vistos no rebordo exterior. Os detritos estelares, que tem uma temperatura de cerca de 10 milhões de graus e é visível apenas em raios-X, aparece como aglomerados amarelos, verdes e vermelhos de gás turbulento. Nenhuma fonte de ponto central foi detectada, o que indica que a supernova Tycho foi provavelmente a detonação de uma anã branca que foi completamente destruída na explosão.

Iluminação acima da matéria escura

A evidência mais gráfica para a existência de matéria escura vem de observações de Chandra que usam uma técnica chamada lente gravitacional: quando a matéria densa faz com que o espaço próximo se deforme tão leve de fundo as galáxias podem ser vistas dobrando em torno dele. Esta imagem do conjunto da bala mostra o gás quente, produzindo raios X como a luz cor-de-rosa e ótica das estrelas como alaranjado e branco. Os raios-X mostram que o Bullet Cluster é composto por dois pequenos aglomerados de galáxias colidindo em altas velocidades em um dos eventos mais energéticos já observados. Usando a lente gravitacional, os astrônomos descobriram que as concentrações de massa mais pesadas nos aglomerados, mostrados em azul, estão separadas da concentração de massa do gás quente. Os cientistas interpretaram a imagem para explicar que, à medida que os clusters azuis colidiam, o gás quente rosa foi retardado, mas a matéria escura continuava viajando porque interagia fracamente, se não, com ele mesmo ou com o gás, exceto pela gravidade. Os aglomerados de matéria escura passaram um ao outro como fantasmas e se moviam para além do gás quente.

Apesar de tais colisões violentas entre clusters serem raras, as observações de Chandra de meia dúzia de outros clusters mostraram resultados semelhantes ao Bullet Cluster. Cálculo da massa de matéria escura em comparação com a matéria regular nestes achados torna muito difícil evitar a conclusão de que a maior parte da matéria no universo é escura.