Os magnetares são estrelas de nêutrons dotadas dos campos magnéticos mais fortes observados no universo, mas sua origem permanece controversa. Em um estudo publicado na Science Advances, uma equipe de cientistas da CEA, Saclay, Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) e Instituto de Física do Globo de Paris desenvolveu um novo modelo de computador sem precedentes e detalhado que pode explicar a gênese da esses campos gigantescos através da amplificação de campos fracos preexistentes quando estrelas de nêutrons em rotação rápida nascem em estrelas massivas em colapso. O trabalho abre novos caminhos para entender as explosões mais poderosas e luminosas de tais estrelas.
Magnetares: o que são? Estrelas de nêutrons são objetos compactos que contêm uma a duas massas solares em um raio de cerca de 12 quilômetros. Entre eles, os magnetares são caracterizados pela emissão eruptiva de raios-X e raios gama. A energia associada a essas explosões de radiação intensa provavelmente está relacionada a campos magnéticos ultra-fortes. Os magnetares devem girar mais rapidamente do que outras estrelas de nêutrons devido à frenagem magnética aprimorada, e as medidas da evolução do período de rotação confirmaram esse cenário. Assim, inferimos que os magnetares têm um campo magnético dipolar da ordem de 1015 Gauss (G), ou seja, até 1000 vezes mais forte que as estrelas de nêutrons típicas! Embora a existência desses tremendos campos magnéticos esteja agora bem estabelecida, sua origem permanece controversa.
Como eles se formam?
Estrelas de nêutrons geralmente se formam após o colapso do núcleo de ferro de uma estrela massiva de mais de nove massas solares, enquanto as camadas externas da estrela são expelidas para o espaço interestelar em uma gigantesca explosão chamada supernova de colapso do núcleo. Algumas teorias assumem, portanto, que a estrela de nêutrons e os campos magnéticos magnetares poderiam ser herdados de suas estrelas progenitoras, o que significa que os campos poderiam ser inteiramente determinados pela magnetização do núcleo de ferro antes do colapso. O problema com essa hipótese é, no entanto, que campos magnéticos muito fortes nas estrelas poderiam desacelerar a rotação do núcleo estelar, de modo que as estrelas de nêutrons de tais estrelas magnetizadas girassem apenas lentamente.
“Isso não nos permitiria explicar as enormes energias das explosões da hipnova e as explosões de raios gama de longa duração, onde estrelas de nêutrons em rotação rápida ou buracos negros em rotação rápida são considerados as fontes centrais das enormes energias”, comenta o membro da equipe H. -Thomas Janka da MPA. Portanto, um mecanismo alternativo parece mais favorável, no qual os campos magnéticos extremos podem ser gerados durante a formação da própria estrela de nêutrons.
Nos primeiros segundos após o colapso do núcleo estelar, a estrela quente de nêutrons do recém-nascido esfria emitindo neutrinos. Esse resfriamento desencadeia fortes fluxos de massa convectiva interna, semelhantes ao borbulhar de água fervente em uma panela no fogão. Tais movimentos violentos da matéria estelar poderiam levar ao aprimoramento de qualquer campo magnético fraco pré-existente. Conhecido como efeito dínamo, esse mecanismo de amplificação de campo está funcionando, por exemplo, no núcleo de ferro líquido da Terra ou no envelope convectivo do Sol.
Para testar essa possibilidade para estrelas de nêutrons, a equipe de pesquisadores usou um supercomputador do Centro Nacional de Computação da França para simular a convecção em uma estrela de nêutrons recém-nascida, muito quente e girando rapidamente. De fato, eles descobriram por essa nova abordagem de modelagem, que foi mais detalhada do que qualquer outro tratamento usado anteriormente, que os fracos campos magnéticos iniciais podem ser amplificados até valores que atingem 1016 G por períodos de rotação suficientemente rápidos (ver Fig. 1).
“Nossos modelos demonstram que períodos de rotação menores que cerca de 8 milissegundos permitem um processo de dínamo mais eficiente do que a rotação mais lenta”, diz Raphaël Raynaud, da CEA, Saclay, principal autor da publicação. “Modelos de rotação mais lenta não exibem os enormes campos criados por esse forte dínamo.”
Maiores bombas cósmicas?
Além de lançar luz sobre a formação magnetar galáctica, esses resultados abrem novos caminhos para entender as explosões mais poderosas e luminosas de estrelas massivas. Por exemplo, supernovas superluminosas emitem cem vezes mais luz do que as supernovas usuais, enquanto outras, chamadas hipnovas, são caracterizadas por uma energia cinética maior por um fator de dez e às vezes associada a uma explosão de raios gama que dura várias dezenas de segundos. Essas explosões notáveis nos obrigam a imaginar processos não padronizados que precisam extrair enormes quantidades de energia de um “motor central”.
O cenário “magnetar de milissegundos” é atualmente um dos modelos mais promissores para o mecanismo central desses eventos extremos. Ele considera a energia rotacional de uma estrela de nêutrons em rotação rápida como o reservatório de energia adicional que aumenta a potência da explosão. Ao exercer um torque de frenagem, um forte campo magnético dipolar de 1015 G pode transferir a energia rotacional da estrela de nêutrons para a explosão. “Para que esse mecanismo seja eficiente, a intensidade do campo deve ser da ordem de 1015 G”, explica o co-autor Jérôme Guilet, da CEA, Saclay. “Isso se aproxima dos valores alcançados pelos dínamos convectivos por períodos de rotação de milissegundos” (veja a Fig. 2).
Até agora, a principal fraqueza do cenário magnetar de milissegundos era assumir um campo magnético ad hoc, independente da taxa de rotação rápida da estrela de nêutrons. Os resultados obtidos pela equipe de pesquisa fornecem, assim, suporte teórico que faltava a esse cenário de motor central, alimentando as explosões mais fortes observadas no universo.
Publicado em 17/03/2020 06h18
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