Um companheiro invisível que consome material da estrela a olho nu gamma-Cas foi revelado como o responsável pelos curiosos raios X vindos do sistema estelar. Isso encerra o caso de um mistério que intriga astrônomos há mais de cinquenta anos.
Observações únicas de alta resolução feitas pela Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios X (XRISM) revelaram que os raios X estão ligados ao movimento orbital de uma estrela anã branca companheira, permitindo que os astrônomos finalmente resolvessem o mistério. As observações são detalhadas em um novo artigo liderado por Yaël Nazé, da Universidade de Liège, na Bélgica.
“Houvesse um esforço intenso para resolver o mistério de gamma-Cas em muitos grupos de pesquisa por muitas décadas. E agora, graças às observações de alta precisão do XRISM, finalmente conseguimos”, diz Yaël.
Um mistério impregnado de história
A estrela gamma-Cas (γ-Cas) é visível para os europeus em todas as noites sem nuvens. Ela forma o “ponto” central da distinta constelação em formato de “W”, Cassiopeia.
Apesar de sua proeminência no céu noturno, ela esteve envolta em mistério desde 1866, quando o astrônomo italiano Angelo Secchi notou algo estranho em sua assinatura de luz. Sua “impressão digital” de hidrogênio era brilhante, enquanto em estrelas como o nosso Sol isso normalmente aparece como uma linha escura.
Esse traço incomum inaugurou uma nova classe de estrelas, chamadas estrelas “Be”, unindo o “B” associado a estrelas azuis-brancas massivas e quentes com o “e” da emissão peculiar de hidrogênio.
Foram necessárias várias décadas para que os astrônomos entendessem que essas emissões vinham de um disco de matéria em rotação expelida pela estrela, que gira rapidamente. Esses discos podem se formar e se dispersar ao longo do tempo, resultando em variações no brilho da estrela. Isso as torna um alvo popular para astrônomos amadores ainda hoje.
Conforme as observações com telescópios se tornaram mais refinadas, foi possível monitorar o movimento de gamma-Cas, revelando que ela deve ter uma estrela companheira de baixa massa. Como a companheira permanece invisível para ser observada diretamente com telescópios, os astrônomos acreditam que ela possa ser uma anã branca — um objeto compacto com a massa do Sol, mas com o tamanho da Terra.
Então, em meados da década de 1970, surgiu um novo mistério: descobriu-se que gamma-Cas emitia raios X de alta energia incomuns. Estudos posteriores encontraram a origem desse brilho em raios X vindo principalmente de um plasma extremamente quente, a 150 milhões de graus, brilhando com uma luminosidade cerca de 40 vezes maior do que o tipicamente esperado para estrelas tão massivas.
Com o advento de telescópios espaciais de raios X, incluindo o XMM-Newton da ESA, o Chandra da NASA e o eROSITA, liderado pela Alemanha, os astrônomos encontraram cerca de duas dezenas de estrelas do tipo gamma-Cas com emissões de raios X semelhantes e incomuns, formando um grupo especial entre as estrelas Be em geral.
As duas teorias finais
Ao longo dos anos, a explicação para os raios X de alta energia se resumiu a duas teorias em disputa. Os campos magnéticos locais da estrela poderiam estar interagindo com os do disco ao seu redor, produzindo o material quente? Ou os raios X seriam gerados pelo material do disco da estrela Be caindo sobre a companheira anã branca?
Por fim, existe um instrumento com precisão suficiente para resolver o mistério: o espectrômetro Resolve de alta resolução do XRISM. Em uma campanha dedicada de observações, o XRISM revelou que as assinaturas do plasma quente seguem o movimento orbital da estrela companheira, que é invisível de outra forma. Em outras palavras, a companheira anã branca consome material de gamma-Cas, emitindo raios X à medida que isso acontece.
“O trabalho anterior usando XMM-Newton realmente abriu caminho para o XRISM, permitindo que eliminássemos inúmeras teorias e comprovássemos qual das duas últimas teorias em disputa estava correta”, diz Yaël. “É extremamente gratificante ter evidência direta para resolver esse mistério finalmente!”
Entender que os objetos de gamma-Cas são estrelas do tipo Be pareadas com uma anã branca que está acumulando material resolve o mistério dos raios X. Mas isso também abre outra curiosidade sobre como a população mais ampla desse tipo de sistemas binários se forma e evolui.
Esses pares eram há muito esperados como comuns, principalmente entre estrelas de baixa massa. No entanto, novas pesquisas mostram que eles são mais raros do que o previsto e, em vez disso, tendem a ocorrer em estrelas Be de alta massa.
“Acreditamos que a chave está em entender exatamente como as interações ocorrem entre as duas estrelas”, diz Yaël. “Agora que conhecemos a verdadeira natureza de gamma-Cas, podemos criar modelos especificamente para essa classe de sistemas estelares e atualizar nosso entendimento da evolução de binárias.”
“É incrível ver como esse mistério foi se desdobrando lentamente ao longo dos anos”, diz Alice Borghese, bolsista de pesquisa da ESA especializada em astrofísica de altas energias. “O XMM-Newton fez tanto do trabalho de base ao descartar várias teorias sobre gamma-Cas. E agora, com a próxima geração de instrumentação avançada, o XRISM nos levou até a linha de chegada.”
“Esse maravilhoso resultado destaca a forte colaboração entre as equipes japonesas, europeias e americanas do XRISM”, acrescenta Matteo Guainazzi, cientista do Projeto XRISM da ESA. “Essa equipe internacional reúne a experiência técnica e científica necessária para resolver os maiores mistérios do Universo em raios X e abrir novas frentes de pesquisa.”
Notas para editores
‘ Orbital motion detected in γ Cas Fe K emission lines’ de Y. Nazé et al é publicado em Astronomy & Astrophysics.
O XRISM (pronuncia-se krizz-em) foi lançado em 7 de setembro de 2023. É uma missão liderada pela Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), em parceria com a NASA e a ESA. Ele carrega dois instrumentos: um calorímetro de raios X chamado Resolve, capaz de medir a energia de fótons individuais de raios X para produzir um espectro em um nível sem precedentes de “resolução de energia” (a capacidade de um instrumento de distinguir as “cores” dos raios X) e uma grande câmera de CCD de raios X com campo de visão amplo para imagear a região ao redor, chamada Xtend.