A origem do brilho em raios-X do céu

2014-07-29

As cores indicam a densidade de hélio interstelar perto da Terra e a sua concentração num cone a partir do Sol à medida que os átomos neutros respondem a gravidade da nossa estrela (azul - baixa densidade, vermelho - alta). Também são mostrados os ângulos de observação das missões DXL e ROSAT. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA.
Novas descobertas resolvem agora um enigma com décadas relacionado com o brilho
brilho
O brilho de um astro refere-se à quantidade de luz que dele provém, ou seja, a quantidade de energia por ele emitida por unidade de área por unidade de tempo. Dado que o brilho observado, ou medido, depende da distância ao objecto, distingue-se o brilho aparente (quando medido a uma determinada distância), do brilho intrínseco (conceptualmente medido na supefície do próprio astro).
de raios-X
raios-X
A radiação X é a radiação electromagnética cujo comprimento de onda está compreendido entre o ultravioleta e os raios gama, ou seja, pertence ao intervalo de aproximadamente 0,1 Å a 100 Å. Descobertos em 1895, os raios-X tambêm são, por vezes, chamados de raios de Röntgen em homenagem ao seu descobridor. A radiação X é altamente penetrante, o que a torna muito útil, por exemplo, para obter radiografias.
de baixa energia observado em todo o céu. Graças a detectores remodelados, que foram usados pela primeira vez num foguete sonda da NASA
National Aeronautics and Space Administration (NASA)
Entidade norte-americana, fundada em 1958, que gere e executa os programas espaciais dos Estados Unidos da América.
na década de 1970, os astrónomos já confirmaram que uma grande parte desse brilho de raios-X vem de uma região de plasma
plasma
O plasma é um gás completamente ionizado, em que a temperatura é demasiado elevada para que os átomos existam como tal, sendo composto por electrões e núcleos atómicos livres. É chamado o quarto estado da matéria, para além do sólido, líquido e gasoso.
interstelar a milhões de graus conhecida como a Bolha Quente Local, ou LHB (Local Hot Bubble).

Ao mesmo tempo, o estudo também estabelece os limites máximos para a quantidade de raios-X de baixa energia produzida dentro do nosso sistema planetário pelo vento solar
vento solar
O vento solar é um vento contínuo de plasma quente que tem origem na coroa solar e preenche o espaço interplanetário do Sistema Solar. A 1 UA do Sol (ou seja, à distância da Terra ao Sol), a velocidade do vento solar é de cerca de 450 km/s e a densidade é aproximadamente 7 protões/cm3. O vento solar confina o campo magnético da Terra e é responsável por fenómenos como tempestades geomagnéticas e auroras. O Sol ejecta cerca de 10-13 da sua massa por ano via vento solar.
.

"Interacções entre o vento solar e átomos
átomo
O átomo é a menor partícula de um dado elemento que tem as propriedades químicas que caracterizam esse mesmo elemento. Os átomos são formados por electrões à volta de um núcleo constituído por protões e neutrões.
neutros em cometas
cometa
Os cometas são pequenos corpos irregulares, compostos por gelos (de água e outros) e poeiras. Os cometas têm órbitas de grande excentricidade à volta do Sol. As estruturas mais importantes dos cometas são o núcleo, a cabeleira e as caudas.
, atmosferas
atmosfera
1- Camada gasosa que envolva um planeta ou uma estrela. No caso das estrelas, entende-se por atmosfera as suas camadas mais exteriores. 2- A atmosfera (atm) é uma unidade de pressão equivalente a 101 325 Pa.
exteriores de planetas
planeta
Um planeta é um objecto que se forma no disco que circunda uma estrela em formação e cuja massa é superior à de Plutão (1/500 da massa da Terra) e inferior a 10 vezes a massa de Júpiter. Ao contrário das estrelas, os planetas não produzem luz, apenas reflectem a luz da estrela que orbitam.
e até mesmo gás interstelar
gás interestelar
O gás interestelar é constituído pelos átomos, moléculas e iões de elementos, ou substâncias, gasosas presentes no meio interestelar.
produzem raios-X de baixa energia", explicou o membro da equipa Steve Snowden, astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Precisamos de ter em conta estes processos, porque os raios-X que produzem complicam as nossas observações do Universo mais vasto."

Décadas de mapeamento do céu em raios-X com energias à volta dos 250 electrões-volt
electrão-volt (eV)
O electrão-volt (eV) é uma unidade de energia que corresponde à energia adquirida por um electrão quando este é acelerado por uma diferença de potencial de um volt num campo eléctrico. 1 eV = 1,6 x 1012 erg = 1,60217733 x 10-19 J.
- cerca de 100 vezes a energia da luz visível
radiação visível
A radiação visível é a região do espectro electromagnético que os nossos olhos detectam, compreendida entre os comprimentos de onda de 350 e 700 nm (frequências entre 4,3 e 7,5x1014Hz). Os nossos olhos distinguem luz visível de frequências diferentes, desde a luz violeta (radiação com comprimentos de onda ~ 400 nm), até à luz vermelha (com comprimentos de onda ~ 700 nm), passando pelo azul, anil, verde, amarelo e laranja.
– revelaram uma forte emissão precisamente onde não deveria existir. A emissão, conhecida como emissão difusa de fundo de raios-X de baixa energia, é surpreendentemente brilhante no plano central, rico em gás, da nossa galáxia
galáxia
Um vasto conjunto de estrelas, nebulosas, gás e poeira interestelar gravitacionalmente ligados. As galáxias classificam-se em três categorias principais: espirais, elípticas e irregulares.
, onde deveria ser fortemente absorvida. Este facto veio sugerir que se tratava de um fenómeno local decorrente de uma bolha de gás quente que se estende em todas as direcções e por algumas centenas de anos-luz
ano-luz (al)
O ano-luz (al) é uma unidade de distância igual a 9,467305 x 1012 km, que corresponde à distância percorrida pela luz, no vácuo, durante um ano.
a partir do Sistema Solar
Sistema Solar
O Sistema Solar é constituído pelo Sol e por todos os objectos que lhe estão gravitacionalmente ligados: planetas e suas luas, asteróides, cometas, material interplanetário.
. Novas medições realizadas tornaram também claro que o Sol
Sol
O Sol é a estrela nossa vizinha, que se encontra no centro do Sistema Solar. Trata-se de uma estrela anã adulta (dita da sequência principal) de classe espectral G. A temperatura na sua superfície é aproximadamente 5800 graus centígrados e o seu raio atinge os 700 mil quilómetros.
reside numa região onde o gás interstelar é extraordinariamente escasso. A junção de todos os dados sugere que o Sistema Solar se está a mover através de uma região que pode ter sido despojada pela explosão de uma ou mais supernovas
supernova
Uma supernova é a explosão de uma estrela no final da sua vida. As explosões de supernova são de tal forma violentas e luminosas que o seu brilho pode ultrapassar o brilho de uma galáxia inteira. Existem dois tipos principais de supernova: as supernovas Tipo Ia, que resultam da explosão duma estrela anã branca que, no seio de um sistema binário, rouba matéria da estrela companheira até a sua massa atingir o limite de Chandrasekhar e então colapsa; e as supernovas Tipo II, que resultam da explosão de uma estrela isolada de massa elevada (com massa superior a cerca de 4 vezes a massa do Sol) que esgotou o seu combustível nuclear e expeliu as suas camadas externas, restando apenas um objecto compacto (uma estrela de neutrões ou um buraco negro).
durante os últimos 20 milhões de anos.

Na década de 1990, uma pesquisa de todo o céu realizada durante seis meses pelo observatório de raios-X alemão ROSAT
ROentgen SATellite (ROSAT)
O observatório espacial de raios-X ROSAT foi uma missão internacional entre a Alemanha, os Estados Unidos da América e o Reino Unido, lançada em 1990 e terminada em 1999. Dois instrumentos principais foram a bordo do satélite: um telescópio de raios-X e uma câmara de campo largo com o seu próprio sistema de espelhos.
forneceu mapas melhorados da emissão difusa de fundo, mas também revelou que os cometas eram uma fonte inesperada de raios-X de baixa energia. À medida que os cientistas começaram a compreender este processo, a que se chamou troca de carga do vento solar, perceberam que poderia ocorrer em qualquer lugar onde átomos neutros interagissem com os iões
ião
Átomo ou molécula que perdeu ou ganhou um ou mais electrões.
do vento solar.

“Durante a última década, alguns cientistas têm vindo a desafiar a interpretação LHB, sugerindo que a maior parte da emissão difusa de fundo de raios-X de baixa energia é resultado de uma troca de carga", disse F. Scott Porter, astrofísico do Goddard, também a participar no estudo. "A única maneira de verificarmos era desenvolvendo instrumentos e fazendo medições."

Uma colaboração internacional, liderada por Massimiliano Galeazzi, professor de física na Universidade de Miami em Coral Gables, Florida, desenvolveu uma missão para esse mesmo efeito. A equipa inclui cientistas da NASA, da Universidade de Wisconsin - Madison, da Universidade de Michigan em Ann Arbor, da Universidade do Kansas em Lawrence, da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland, do Centro Nacional Francês para a Pesquisa Científica (CNRS), com sede em Paris, bem como de outras instituições.

Galeazzi e os seus colegas reconstruíram, testaram, calibraram e adaptaram detectores de raios-X originalmente desenvolvidos pela Universidade de Wisconsin e usados em foguetes sonda na década de 1970. Foram também adaptados componentes de outro instrumento usado no vaivém espacial Endeavour, em 1993. A missão recebeu o nome de DXL (Diffuse X-ray emission from the Local Galaxy) - emissão difusa de raios-X da Galáxia
Via Láctea
A Via Láctea é a galáxia de que faz parte o nosso Sistema Solar. Trata-se de uma galáxia espiral gigante, com um diâmetro de cerca de 160 mil anos-luz e uma massa da ordem de 100 mil milhões de vezes a massa do Sol.
Local.

Em 12 de Dezembro de 2012, a DXL foi lançada a partir de White Sands Missile Range, no Novo México, a bordo do foguete sonda da NASA Black Brant IX, atingindo uma altitude máxima de 258 km e passando cinco minutos acima da atmosfera terrestre
atmosfera terrestre
A atmosfera terrestre é composta por um conjunto de camadas gasosas que envolvem a Terra. Estas camadas são designadas por Troposfera (da superfície da Terra até cerca de 10 km de altitude), Estratosfera (10 - 50 km), Mesosfera (50 - 100 km), Termosfera (100 - 400 km) e Exosfera (acima dos 400 km).
. O design da missão permitia ao instrumento observar o pior cenário envolvendo a troca de carga com gás interestelar.

O Sistema Solar está a passar por uma pequena nuvem de gás interstelar frio que se move através da Galáxia. Os átomos neutros de hidrogénio e hélio da nuvem propagam-se através do sistema planetário a 90000 km/h. Enquanto os átomos de hidrogénio rapidamente se ionizam e respondem a numerosas forças, os átomos de hélio viajam regidos em grande parte pela gravidade do Sol. Isto cria um cone de hélio a partir do Sol que atravessa a órbita
órbita
A órbita de um corpo em movimento é a trajectória que o corpo percorre no espaço.
da Terra e que se localiza alto, no céu, perto da meia-noite no início de Dezembro.

"Este cone de hélio cria uma região com muito maior densidade
densidade
Em Astrofísica, densidade é o mesmo que massa volúmica: é a massa por unidade de volume.
de átomos neutros e o correspondente aumento da taxa de troca de carga", disse Snowden.

O vento solar é acelerado
aceleração
A aceleração é a taxa de variação da velocidade de um corpo com o tempo.
na coroa solar
coroa solar
A coroa solar é a região mais exterior da atmosfera do Sol, imediatamente acima da cromosfera. É composta por gás pouco denso, a uma temperatura acima de um milhão de graus (1-2x106 K). Este gás estende-se por milhares de quilómetros acima da superfície solar e pode ser observado na luz visível durante os eclipses solares, ou com o auxílio de aparelhos especiais, os coronógrafos.
, a parte mais quente da atmosfera do Sol, de modo que os seus átomos são ionizado
ionização
Processo pelo qual um átomo (ou molécula) electricamente neutro ganha ou perde um ou mais electrões, transformando-se num ião.
. Quando um átomo neutro colide com um ião de vento solar é frequente um dos seus electrões
electrão
Partícula elementar pertencente à família dos leptões - partículas sujeitas à interacção nuclear fraca, electromagnética e gravitacional. Os electrões possuem carga eléctrica negativa e encontram-se nos átomos de todos os elementos químicos, orbitando à volta do núcleo atómico, que possui carga eléctrica positiva.
saltar para a partícula carregada. Uma vez capturado pelo ião, o electrão permanece por alguns instantes no estado excitado, depois emite raios-X de baixa energia e estabelece-se num nível de energia mais baixo. É o que acontece no processo de troca de carga do vento solar.

Uma animação que ilustra o processo de troca de carga do vento solar pode ser vista aqui: https://www.youtube.com/watch?v=nNrKyCbf8Gk

Para definirem uma linha de base para a emissão de fundo de raios-X de baixa energia, os investigadores usaram dados capturados pela missão ROSAT, em Setembro de 1990, na direcção que olha ao longo do cone de hélio (em vez de para o cone). Os resultados, publicados online na revista Nature, a 27 de Julho, indicam que apenas cerca de 40% da emissão de fundo de raios-X de baixa energia tem origem dentro do Sistema Solar.

"Agora sabemos que a emissão vem de ambas as fontes, mas a quantidade maior vem da Bolha Quente Local, LHB ", disse Galeazzi, acrescentando: "Esta é uma descoberta significativa. A existência ou não da bolha local, em particular, afecta a nossa compreensão da região da Galáxia próxima do Sol, e pode, por isso, ser usada como base para futuros modelos da estrutura da Galáxia". E os resultados confirmam a existência da Bolha Quente Local.

Galeazzi e seus colaboradores já estão a planear o próximo voo da missão DXL, que incluirá instrumentos adicionais para melhor poderem caracterizar a emissão. O lançamento está previsto para Dezembro de 2015.

"A equipa da DXL é um exemplo extraordinário da ciência interdisciplinar, reunindo astrofísicos, cientistas planetários e físicos do Sol", acrescentou Porter. "Não é comum, mas é muito gratificante quando cientistas com interesses tão diversos se unem para produzir resultados tão inovadores."

Fonte da notícia: http://www.nasa.gov/content/goddard/nasa-funded-x-ray-instrument-settles-interstellar-debate/#.U9fbIqi0bfY