Novas descobertas sobre sistemas binários de estrelas de nêutrons

Estrelas de nêutrons binárias de raios-X de baixa massa (NS LMXBs) são tipos especiais de sistemas de estrelas binárias. Nesses sistemas, uma estrela de nêutrons, que é o núcleo remanescente de uma estrela massiva que explodiu, puxa material de uma estrela companheira. A estrela companheira geralmente é menor e menos massiva. À medida que a estrela de nêutrons puxa matéria da estrela companheira, esse processo gera muita energia. Essa energia é liberada na forma de raios-X, tornando esses sistemas muito brilhantes em luz de raios-X.

#Diferenças Entre Estrelas de Nêutrons e Buracos Negros

Quando comparamos NS LMXBs com buracos negros binários de raios-X de baixa massa (BH LMXBs), vemos algumas diferenças chave. Buracos negros foram estudados mais a fundo, e a gente entende melhor seu comportamento. Nos sistemas de buracos negros, a relação entre o material que cai no buraco negro e as emissões de rádio dos jatos (fluxos de partículas carregadas ejetadas do sistema) segue um padrão claro. Esse padrão geralmente envolve uma mudança entre diferentes estados ou modos com base no brilho dos raios-X.

No entanto, a situação não é tão clara nos sistemas de estrelas de nêutrons. Observamos que as mudanças na Emissão de Rádio e no brilho de raios-X nem sempre seguem o mesmo padrão que em sistemas de buracos negros. Isso nos leva ao estudo de um sistema de estrela de nêutrons específico conhecido como 4U 1820-30.

#Visão Geral do Sistema 4U 1820-30

4U 1820-30 é um alvo único porque tem um período orbital muito curto de apenas 11,4 minutos, tornando-se um dos sistemas binários de raios-X mais curtos conhecidos. É composto por uma estrela de nêutrons que está se alimentando de material de uma companheira anã branca. Esse sistema está localizado em um aglomerado globular e foi classificado como uma fonte atoll, que se refere ao tipo específico de comportamento observado em suas emissões de raios-X.

Através de observações extensas, descobriu-se que 4U 1820-30 exibe uma Modulação super-orbital que dura cerca de 170 dias. Durante esse tempo, o sistema transita entre alto e baixo brilho de raios-X, que chamamos de "modos".

#Campanha de Observação

Em 2022, foi realizada uma campanha de observação detalhada para estudar 4U 1820-30. Essa campanha usou vários observatórios de raios-X e rádio para monitorar o sistema de perto durante seu ciclo super-orbital. O objetivo era entender como as propriedades de raios-X do sistema mudam enquanto também observava variações nas emissões de rádio.

#Características da Emissão de Raios-X

Os raios-X emitidos de 4U 1820-30 são bem complexos. O espectro de raios-X do sistema pode ser descrito usando várias componentes. Essas incluem:

1. Disc Blackbody: Essa componente representa as emissões do disco de acreção ao redor da estrela de nêutrons. O disco é composto por material que é aquecido conforme espirala em direção à estrela de nêutrons.

2. Espectro de Comptonização: Esse espectro surge quando os fótons de raios-X suaves do disco interagem com elétrons quentes. A interação faz com que os fótons ganhem energia e apareçam como raios-X mais duros.

3. Linha de Emissão de Ferro K: Em torno de 6,6 keV, há uma característica notável no espectro de raios-X ligada à presença de ferro, que pode ser usada para rastrear as condições próximas à estrela de nêutrons.

Nos modos de brilho alto, a área que fornece fótons de semente para a Comptonização-onde os raios-X ganham energia-era maior, enquanto nos modos baixos, essa área diminuiu significativamente.

#Variações nas Propriedades de Raios-X

A campanha revelou que a camada de limite da estrela de nêutrons e as propriedades do disco de acreção permaneceram estáveis ao longo do período de monitoramento. No entanto, a componente de Comptonização-o parte responsável pelas emissões de alta energia-mostrou variações significativas.

Ao passar do modo alto para o modo baixo, a área responsável por produzir esses fótons de semente diminuiu de tamanho de aproximadamente 15 km para cerca de 10 km. Essa mudança teve implicações para a energia disponível para a coroa-a região externa da estrela de nêutrons que contribui para as emissões de raios-X.

Além disso, o estudo observou que a temperatura dos elétrons na coroa apresentou leves aumentos ao mudar dos modos altos para os baixos.

#Mudanças na Emissão de Rádio

Uma das descobertas intrigantes da campanha de observação foi a variação significativa nas emissões de rádio de 4U 1820-30. Durante os modos baixos, as emissões de rádio estavam marcadamente mais brilhantes, mostrando um aumento cinco vezes maior em comparação aos modos altos.

Em contraste com sistemas de buracos negros, onde mudanças de rádio costumam estar associadas a mudanças espectrais, as variações neste sistema de estrela de nêutrons pareciam mais relacionadas a mudanças na camada de limite do que a transições entre estados duros e suaves.

#Implicações do Comportamento da Camada de Limite

A camada de limite é crucial para entender a relação entre as emissões de raios-X e as emissões de rádio no sistema. A campanha propôs que durante os modos altos, a camada de limite fornece energia substancial para a coroa, que leva a um efeito de resfriamento. Nos modos baixos, a situação se inverte, e há menos energia, permitindo que a coroa aqueça.

O que se torna evidente é uma conexão potencial entre o estado da camada de limite e as propriedades do jato. Isso implica que a camada de limite pode estar regulando as condições que influenciam o comportamento do jato.

#Camada de Limite e Evolução do Jato

O estudo apresenta uma nova maneira de olhar para a relação entre a camada de limite e os jatos. Diferente de modelos tradicionais que focam em como o disco de acreção influencia o lançamento do jato, parece que a camada de limite desempenha um papel chave.

Durante os modos variados, o brilho da camada de limite e sua interação com a coroa afetam as propriedades dos jatos. Por exemplo, quando a camada de limite está menos ativa nos modos baixos, as emissões de rádio se tornam mais fortes, mostrando um efeito de desacoplamento.

#Conclusão e Direções Futuras

Os resultados da campanha de observação em 4U 1820-30 contribuem para nossa compreensão de como os sistemas de estrelas de nêutrons funcionam. Eles destacam as complexidades e variações nas emissões de raios-X e rádio e sugerem uma relação mais intrincada entre a camada de limite e o comportamento do jato.

Futuras observações e campanhas serão importantes para testar essas ideias mais a fundo e para determinar se mecanismos similares se aplicam a outros NS LMXBs. Ao realizar estudos mais detalhados sobre como os processos de acreção e ejeção evoluem ao longo do tempo, podemos obter insights mais profundos sobre a física que governa esses fascinantes objetos celestiais.