O espaço sideral é um zoológico de espécies curiosas. Dentre elas, uma das mais intrigantes é a dos pulsares, objetos compactos que giram depressa e emitem pulsos regulares de ondas de rádio. Um modelo desenvolvido por pesquisadores do Brasil e da Argentina ajuda a explicar como evoluem algumas das mais exóticas variedades de pulsares, que, como seria apropriado num zoológico, receberam nomes de animais: as aranhas redback e viúva-negra.
Os pulsares fascinam os astrônomos desde a sua descoberta em 1967. Quando os astrônomos Jocelyn Bell e Antony Hewish observaram pela primeira vez as emissões pulsadas que deram o nome desses objetos, eles as acharam tão intrigantes que não descartavam serem transmissões de civilizações extraterrestres. Com bom humor, Bell e Hewish batizaram o objeto que descobriram como LGM-1, sigla para little green men ou homenzinhos verdes. Mas não tardou para que se descobrisse que os pulsares são uma categoria de estrelas de nêutrons, espécie de cadáver de uma estrela de massa elevada que, após esgotar seu combustível nuclear, explode como uma supernova.
Estrelas com massa oito vezes maior que a do Sol, ao explodir, ejetam suas camadas mais exteriores, enquanto seu núcleo sofre tamanha compactação que os elétrons mergulham na direção dos prótons e os convertem em nêutrons – daí o nome estrela de nêutrons. São objetos muito compactos, em que a massa restante, equivalente à de um a dois sóis, é comprimida numa esfera com 10 a 30 quilômetros de diâmetro. Quando seu poderoso campo magnético está desalinhado em relação ao eixo de rotação, o feixe de radiação emitido por essas estrelas gira realizando um movimento de precessão. Da Terra, essa radiação é vista de modo intermitente, na forma dos pulsos que caracterizam esses objetos.
Muitos desses pulsares têm estrelas companheiras girando em torno deles. Alguns são acompanhados por uma estrela cuja massa corresponde de 20% a 40% da massa do Sol e formam sistemas conhecidos como redback, aranha australiana que tem uma listra vermelha no abdômen negro. Já os pulsares acompanhados de estrelas menores, com 5% da massa solar, são chamados viúva-negra.
Os sistemas receberam esses nomes porque, neles, a estrela de maior massa e também mais densa – o pulsar – contribui para “evaporar” a de menor massa. É algo semelhante ao que ocorre com essas aranhas: as fêmeas, bem maiores que os machos, os matam depois da cópula. “Os norte-americanos e os australianos usaram esses apelidos e pegou”, conta o astrofísico Jorge Horvath, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP). “Agora esses sistemas são conhecidos como spiders [aranhas].”
O trabalho que Horvath desenvolveu com os colegas argentinos Omar Benvenuto e María Alejandra De Vito, ambos da Universidade Nacional de La Plata, dá um importante passo para compreender a evolução desses sistemas. O modelo do trio mostra que há uma relação evolutiva entre os sistemas redback e viúva-negra.
Em ambos os casos os pulsares consomem parte da massa de suas companheiras por um mecanismo chamado acréscimo ou acreção. Bem mais densos, os pulsares apresentam um intenso campo gravitacional que atrai a massa da estrela companheira. Eles funcionam como um aspirador de pó que suga os pedaços da vizinha que se esfarela. Mas esses sistemas aranhas também podem assumir uma configuração bem mais interessante: a órbita de suas estrelas pode evoluir até que a distância entre as duas seja inferior à da Terra à Lua.
Nesses casos, quando a massa da companheira se torna muito pequena (5% da massa solar), típica dos sistemas viúva-negra, ela acaba consumida por um segundo mecanismo: evaporação. A radiação e as partículas emitidas pelo pulsar varrem parte da massa da companheira para longe, como um sopro que afasta a poeira da mesa. “Nas simulações, descobrimos que em alguns casos haveria tempo suficiente para o pulsar causar a evaporação total da companheira”, conta Horvath. “Vimos também que, em outros casos, poderia restar, a uma distância maior do pulsar, um ‘caroço’ com massa equivalente à de um planeta”, diz.
Os pesquisadores detalharam essas trajetórias evolutivas em um artigo no periódico Astrophysical Journal Letters. Nesse trabalho, eles mostraram ainda que o comportamento desses sistemas depende tanto da distância inicial entre o pulsar e a estrela companheira quanto da massa inicial desta. Quando a companheira está em uma órbita próxima ao pulsar, que ela completa em menos de um dia terrestre, sua massa é consumida por acreção e alguns desses sistemas evoluem para se tornar os redback. Já se a distância for menor, equivalente a uma órbita de menos de três horas, a estrela companheira é consumida por evaporação, típica dos sistemas viúva-negra. Os pesquisadores viram ainda que, sob certas condições, o primeiro sistema pode se converter no segundo. “Nesses sistemas, a massa dos pulsares aumenta muito, algo importante para compreender a natureza da matéria que os compõe”, explica Horvath.
Na modelagem, Horvath e colegas incluíram os efeitos das emissões de radiação e partículas do pulsar sobre a evolução do sistema. “A emissão influencia de duas maneiras: ela pode arrancar camadas de gás da companheira [evaporação] e a matéria atraída para o pulsar gera raios X intensos o suficiente para afetar a estrutura da companheira”, afirma Marcelo Allen, professor do Instituto Federal de São Paulo, que não participou do estudo.
A compreensão completa de redbacks e viúvas-negras exigirá novos esforços. “Estamos longe de uma formulação teórica satisfatória para explicar o comportamento observacional em longas escalas de tempo”, avalia Flavio D’Amico, astrofísico do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.
Projeto
Matéria superdensa no Universo (nº 2013/26258-4); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Manuel Máximo Bastos Malheiro de Oliveira (ITA); Pesquisadores principais Jorge Ernesto Horvath (IAG-USP) e João Braga (Inpe); Investimento R$ 222.701,00.
Artigo científico
BENVENUTO, O. G., DE VITO, M. A. e HORVATH, J. E. Understanding the evolution of close binary systems with radio pulsars. Astrophysical Journal Letters. v. 786 (L7). mai. 2014.
