Um astrofísico teórico da Universidade do Kansas pode ter resolvido um mistério de quase duas décadas sobre as origens de um padrão incomum de "zebra" visto em pulsos de rádio de alta frequência da Nebulosa do Caranguejo.

Suas descobertas acabaram de ser publicadas na Physical Review Letters.

A Nebulosa do Caranguejo tem uma estrela de nêutrons em seu centro que se transformou em um pulsar de 19 quilômetros de largura, espalhando radiação eletromagnética por todo o cosmos.

"A emissão, que se assemelha ao feixe de um farol, passa repetidamente pela Terra enquanto a estrela gira", disse o autor principal Mikhail Medvedev, professor de física e astronomia na KU.

A Nebulosa do Caranguejo é o remanescente de uma supernova que apareceu em 1054.

"Registros históricos, incluindo relatos chineses, descrevem uma estrela excepcionalmente brilhante aparecendo no céu", disse o pesquisador da KU.

Mas, diferentemente de qualquer outro pulsar conhecido, Medvedev disse que o Pulsar do Caranguejo apresenta um padrão zebra — espaçamento de banda incomum no espectro eletromagnético proporcional às frequências de banda, e outras características estranhas, como alta polarização e estabilidade.

"É muito brilhante, em praticamente todas as faixas de onda", disse ele. "Este é o único objeto que conhecemos que produz o padrão zebra, e ele só aparece em um único componente de emissão do Pulsar do Caranguejo.

"O pulso principal é um pulso de banda larga, típico da maioria dos pulsares, com outros componentes de banda larga comuns a estrelas de nêutrons . No entanto, o interpulso de alta frequência é único, variando entre 5 e 30 gigahertz — frequências semelhantes às de um forno de micro-ondas."

Desde que esse padrão foi descoberto em um artigo de 2007, o pesquisador da KU disse que o padrão se mostrou "desconcertante" para os investigadores.

"Os pesquisadores propuseram vários mecanismos de emissão, mas nenhum explicou de forma convincente os padrões observados", disse ele.

Usando dados do Pulsar do Caranguejo, Medvedev estabeleceu um método usando óptica de ondas para medir a densidade do plasma do pulsar — o "gás" de partículas carregadas (elétrons e pósitrons) — usando um padrão de franjas encontrado nos pulsos eletromagnéticos.

"Se você tem uma tela e uma onda eletromagnética passa por ela, a onda não se propaga diretamente", disse Medvedev.

"Na óptica geométrica, as sombras projetadas por obstáculos se estenderiam indefinidamente — se você está na sombra, não há luz; fora dela, você vê luz. Mas a óptica de onda introduz um comportamento diferente — as ondas se curvam em torno de obstáculos e interferem umas nas outras, criando uma sequência de franjas brilhantes e escuras devido à interferência construtiva e destrutiva ."

Esse fenômeno bem conhecido de padrão de franja é causado por interferência construtiva consistente, mas tem características diferentes quando ondas de rádio se propagam ao redor de uma estrela de nêutrons.

"Um padrão de difração típico produziria franjas uniformemente espaçadas se tivéssemos apenas uma estrela de nêutrons como escudo", disse o pesquisador da KU. "Mas aqui, o campo magnético da estrela de nêutrons gera partículas carregadas constituindo um plasma denso, que varia com a distância da estrela.

"À medida que uma onda de rádio se propaga pelo plasma, ela passa por áreas diluídas, mas é refletida pelo plasma denso. Essa reflexão varia de acordo com a frequência: frequências baixas refletem em raios grandes, projetando uma sombra maior, enquanto frequências altas criam sombras menores, resultando em espaçamento de franjas diferente."

Dessa forma, Medvedev determinou que a matéria plasmática do Pulsar do Caranguejo causa difração nos pulsos eletromagnéticos responsáveis pelo padrão zebra singular da estrela de nêutrons.

"Este modelo é o primeiro capaz de medir esses parâmetros", disse Medvedev. "Ao analisar as franjas, podemos deduzir a densidade e a distribuição do plasma na magnetosfera. É incrível porque essas observações nos permitem converter medições de franjas em uma distribuição de densidade do plasma, essencialmente criando uma imagem ou realizando tomografia da magnetosfera da estrela de nêutrons."

Em seguida, Medvedev disse que sua teoria pode ser testada com a coleta de mais dados do Pulsar do Caranguejo e ajustada ao fatorar seus poderosos e estranhos efeitos gravitacionais e de polarização. A nova compreensão de como uma matéria de plasma altera o sinal de um pulsar mudará como os astrofísicos entendem outros pulsares.

"O Pulsar do Caranguejo é um tanto único — é relativamente jovem para os padrões astronômicos, com apenas cerca de mil anos de idade, e altamente energético", disse ele. "Mas não está sozinho; sabemos de centenas de pulsares, com mais de uma dúzia que também são jovens.

"Pulsares binários conhecidos, que foram usados para testar a teoria da relatividade geral de Einstein, também podem ser explorados com o método proposto. Esta pesquisa pode de fato ampliar nossa compreensão e técnicas de observação para pulsares, particularmente os jovens e energéticos."