O Comportamento Intrigante de 4U 1820-30

4U 1820-30 é um tipo especial de sistema estelar conhecido como binário de raios-X de baixa massa ultra-compacto (LMXB). Ele tá localizado em um amontoado denso de estrelas chamado aglomerado globular NGC 6624. Esse sistema é formado por duas estrelas: uma é uma estrela de nêutrons, que é bem densa, e a outra é uma anã branca de hélio, que também é densa, mas menos que a estrela de nêutrons.

Uma característica marcante do 4U 1820-30 é seu período orbital curto, o que significa que as duas estrelas orbitam uma em torno da outra bem rapidinho, completando uma volta em apenas 685 segundos. Isso faz dele um dos sistemas com o menor período conhecido pelos astrônomos.

#Observações e Descobertas Anteriores

Os cientistas vêm estudando o 4U 1820-30 há muitos anos, tentando entender como essas estrelas interagem e o que rola nesse ambiente único. As primeiras observações importantes foram feitas na década de 1970, revelando seus surtos de raios-X. Esses surtos são resultado do material da anã branca sendo puxado para a estrela de nêutrons.

Com o tempo, mais observações mostraram que o 4U 1820-30 tem um padrão de movimento orbital único, que parece mudar de uma forma que não se encaixa nas expectativas normais baseadas nas teorias de como esses sistemas deveriam se comportar. Esse comportamento inesperado, especialmente a derivada negativa do período orbital, sugere que o sistema pode agir de uma maneira diferente do que os cientistas pensavam.

#A Importância do Período Orbital e Sua Derivada

Na física, o "período orbital" é o tempo que um objeto leva para completar uma volta em torno de outro objeto. A "derivada do período orbital" é uma medida de como esse período muda ao longo do tempo. De forma simples, se o período está ficando maior ou menor, essa mudança pode dizer muito aos cientistas sobre as forças que atuam no sistema.

Para o 4U 1820-30, a derivada negativa do período orbital observada significa que o tempo que as duas estrelas levam para orbitar uma a outra está na verdade diminuindo. Isso é surpreendente porque a maioria das teorias prevê que tal sistema teria uma derivada positiva do período orbital, ou seja, o período aumentaria ao longo do tempo à medida que energia é perdida devido à radiação gravitacional.

#Pesquisas Recentes e Coleta de Dados

Para investigar mais, os cientistas usaram uma nova ferramenta chamada Neutron star Interior Composition ExploreR (NICER), que é um telescópio que observa raios-X. Entre 2017 e meados de 2022, o NICER coletou um monte de dados sobre o 4U 1820-30. Ao combinar esses novos dados com observações anteriores, os pesquisadores buscaram mudanças no período orbital ao longo de aproximadamente 46 anos.

Eles analisaram curvas de luz, que são gráficos que mostram como o brilho de um objeto muda ao longo do tempo. A partir dessas curvas de luz, eles conseguiram refinar suas medições do período orbital e as mudanças acontecendo nesse período.

#Descobertas sobre Mudanças no Período Orbital

Através da análise, os pesquisadores concluíram que o período orbital do 4U 1820-30 tem uma derivada de cerca de -4.3 x 10^-11 segundos por segundo. Esse valor negativo indica que a órbita está ficando mais curta, reforçando a natureza contraditória do sistema em relação ao que é esperado pelas teorias atuais.

Além disso, os pesquisadores não encontraram evidências fortes para uma derivada de período orbital de segunda ordem, que implicaria um comportamento ainda mais complexo no movimento das estrelas. Essa falta de um efeito significativo de segunda ordem sugere que o sistema é bem estável ao longo do tempo, apesar das mudanças no período orbital.

#Possíveis Explicações para as Mudanças Observadas

Como a derivada do período orbital observada contradiz as previsões teóricas, os cientistas propuseram várias explicações potenciais. Uma ideia é que a estrela de nêutrons pode estar acelerando devido à influência gravitacional do próprio aglomerado globular, que é uma área densa de estrelas.

Outra possibilidade é que o 4U 1820-30 pode ter uma significativa perda de massa, ou seja, algum material está sendo expelido do sistema, o que pode influenciar o movimento das estrelas. Isso faria com que a derivada intrínseca do período orbital fosse muito maior do que o que seria inferido apenas pela radiação gravitacional.

#Modulação de Superhump nas Curvas de Luz de Raios-X

Enquanto estudavam o sistema, os pesquisadores também detectaram uma modulação periódica nas curvas de luz de raios-X com um período de cerca de 693,5 segundos. Essa modulação é considerada um superhump, um fenômeno observado em certos tipos de sistemas binários de raios-X.

Os Superhumps são mudanças de brilho periódicas que ocorrem devido à precessão do disco de acreção onde o material está sendo puxado para a estrela de nêutrons. A presença deles no 4U 1820-30 sugere que o disco de acreção está se comportando de uma maneira complexa, possivelmente devido à interação entre a estrela de nêutrons e a anã branca.

#A Conexão Entre Superhumps e Relação de Massas

A relação entre o período do superhump e o período orbital pode ser usada para inferir a relação de massas das duas estrelas no sistema. Essa relação de massas pode dar uma visão de como as duas estrelas influenciam o comportamento uma da outra.

No caso do 4U 1820-30, cálculos sugerem que a relação de massas é bem pequena, o que se alinha com as propriedades de seu sistema binário formado por uma estrela de nêutrons e uma anã branca de hélio.

#O Papel de uma Terceira Estrela

Outra perspectiva interessante sobre o 4U 1820-30 é a possibilidade de uma terceira estrela no sistema. Algumas teorias sugerem que uma terceira estrela pode estar orbitando o par binário. A influência gravitacional dessa terceira estrela pode contribuir para as mudanças observadas no período orbital e também impactar os processos de transferência de massa que estão acontecendo no sistema.

A ideia de um sistema triplo hierárquico, onde uma estrela orbita ao redor do par binário formado pela estrela de nêutrons e pela anã branca, é plausível. Se esse for o caso, as interações entre as estrelas podem levar a variações nas taxas de transferência de massa e mudanças na dinâmica orbital.

#Conclusão

O 4U 1820-30 continua sendo um estudo fascinante para os astrônomos, proporcionando insights sobre o comportamento de sistemas binários ultra-compactos. Suas características orbitais únicas desafiam a compreensão teórica atual, destacando a complexidade das interações entre estrelas em ambientes estelares densos como os aglomerados globulares.

Utilizando observatórios modernos como o NICER, os pesquisadores estão descobrindo mais sobre esses sistemas, refinando nosso conhecimento de suas dinâmicas e explorando os efeitos da transferência de massa e potenciais terceiras estrelas. A observação e análise contínuas serão essenciais para desvendar os mistérios em torno do 4U 1820-30 e sistemas similares no universo.