Usando o Telescópio SOAR de 4,1 metros no Chile, os astrônomos descobriram o primeiro exemplo de um sistema binário onde uma estrela em processo de se tornar uma anã branca está orbitando uma estrela de nêutrons que acabou de se transformar em um pulsar em rápida rotação. O par, originalmente detectado pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, é um "elo perdido" na evolução de tais sistemas binários.

Descobriu-se que uma fonte brilhante e misteriosa de raios gama é uma estrela de nêutrons que gira rapidamente – apelidada de pulsar de milissegundo – que está orbitando uma estrela no processo de evoluir para uma anã branca de massa extremamente baixa. Esses tipos de sistemas binários são chamados pelos astrônomos de "aranhas" porque o pulsar tende a "comer" as partes externas da estrela companheira quando ela se transforma em uma anã branca.

A dupla foi detectada por astrônomos usando o telescópio SOAR de 4,1 metros em Cerro Pachón, no Chile, parte do Observatório Interamericano Cerro Tololo (CTIO), um programa do NOIRLab da NSF.

O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA tem catalogado objetos no universo que produzem copiosos raios gama desde seu lançamento em 2008, mas nem todas as fontes de raios gama que ele detecta foram classificadas. Uma dessas fontes, chamada 4FGL J1120.0-2204 pelos astrônomos, era a segunda fonte de raios gama mais brilhante em todo o céu que não havia sido identificada até agora.

Astrônomos dos Estados Unidos e Canadá, liderados por Samuel Swihart do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington, DC, usaram o Goodman Spectrograph no Telescópio SOAR para determinar a verdadeira identidade do 4FGL J1120.0-2204. A fonte de raios gama, que também emite raios X, conforme observado pelos telescópios espaciais Swift da NASA e XMM-Newton da ESA, mostrou ser um sistema binário que consiste em um " pulsar de milissegundos " que gira centenas de vezes por segundo, e o precursor de uma anã branca de massa extremamente baixa. O par está localizado a mais de 2600 anos-luz de distância.

“O tempo dedicado da Michigan State University no Telescópio SOAR, sua localização no hemisfério sul e a precisão e estabilidade do espectrógrafo Goodman foram aspectos importantes desta descoberta”, diz Swihart.

"Este é um ótimo exemplo de como os telescópios de médio porte em geral, e o SOAR em particular, podem ser usados ​​para ajudar a caracterizar descobertas incomuns feitas com outras instalações terrestres e espaciais", observa Chris Davis, diretor do programa NOIRLab da US National Science. Fundação. "Antecipamos que o SOAR desempenhará um papel crucial no acompanhamento de muitas outras fontes de variáveis ​​de tempo e de vários mensageiros na próxima década".

O espectro óptico do sistema binário medido pelo espectrógrafo Goodman mostrou que a luz da companheira anã proto-branca é Doppler deslocada – alternadamente deslocada para vermelho e azul – indicando que ela orbita uma estrela de nêutrons compacta e massiva a cada 15 horas.

“Os espectros também nos permitiram restringir a temperatura aproximada e a gravidade da superfície da estrela companheira”, diz Swihart, cuja equipe foi capaz de pegar essas propriedades e aplicá-las a modelos que descrevem como os sistemas estelares binários evoluem. Isso permitiu que eles determinassem que a companheira é a precursora de uma anã branca de massa extremamente baixa, com uma temperatura de superfície de 8.200 ° C (15.000 ° F) e uma massa de apenas 17% da massa do sol.

Quando uma estrela com massa semelhante à do Sol ou menos chega ao fim de sua vida, ela ficará sem o hidrogênio usado para alimentar os processos de fusão nuclear em seu núcleo. Por um tempo, o hélio assume o controle e alimenta a estrela, fazendo com que ela se contraia e aqueça, e levando sua expansão e evolução para uma gigante vermelha com centenas de milhões de quilômetros de tamanho. Eventualmente, as camadas externas desta estrela inchada podem ser agregadas a uma companheira binária e a fusão nuclear pára, deixando para trás uma anã branca do tamanho da Terra e chiando a temperaturas superiores a 100.000 ° C (180.000 ° F).

A anã proto-branca no sistema 4FGL J1120.0-2204 ainda não terminou de evoluir. "Atualmente está inchado e é cerca de cinco vezes maior em raio do que as anãs brancas normais com massas semelhantes", diz Swihart. “Ela continuará esfriando e contraindo e, em cerca de dois bilhões de anos, parecerá idêntica a muitas das anãs brancas de massa extremamente baixa que já conhecemos”.

Os pulsares de milissegundos giram centenas de vezes a cada segundo. Eles são gerados pela acumulação de matéria de um companheiro, neste caso da estrela que se tornou a anã branca. A maioria dos pulsares de milissegundos emite raios gama e raios X, muitas vezes quando o vento do pulsar, que é um fluxo de partículas carregadas que emanam da estrela de nêutrons em rotação, colide com o material emitido por uma estrela companheira.

Cerca de 80 anãs brancas de massa extremamente baixa são conhecidas, mas "este é o primeiro precursor de uma anã branca de massa extremamente baixa encontrada que provavelmente orbita uma estrela de nêutrons", diz Swihart. Consequentemente, o 4FGL J1120.0-2204 é uma visão única do final desse processo de rotação. Todos os outros binários anã branca-pulsar que foram descobertos estão bem além do estágio de rotação.

“A espectroscopia de acompanhamento com o Telescópio SOAR, visando fontes de raios gama Fermi não associadas, nos permitiu ver que o companheiro estava orbitando algo”, diz Swihart. "Sem essas observações, não poderíamos ter encontrado este sistema emocionante."

Esta pesquisa foi apresentada em um artigo "4FGL J1120.0–2204: A Unique Gamma-ray Bright Neutron Star Binary with an Extremely Low Mass Proto-White Dwarf", publicado no The Astrophysical Journal .