Supercomputadores ajudam a revelar segredos de pulsares

Um novo modelo computacional está revelando comportamentos inéditos e um pouco bizarros de partículas que fluem ao redor das estrelas de nêutron, também conhecidas como pulsares.

Uma nova pesquisa liderada pela astrofísica da NASA Gabriele Brambilla mostra os os caminhos escolhidos pelas partículas carregadas dos campos magnéticos e elétricos que estão próximas aos pulsares. O trabalho é baseado em uma nova maneira de se modelar pulsares, e está oferecendo um ponto de vista inédito sobre os trabalhos relacionados com essas formações celestiais.

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Pulsares são as partes remanescentes de grandes estrelas que ficaram sem combustível, entraram em colapso e explodiram como uma supernova.

Essas estrelas de nêutrons em turbilhão acumulam uma quantidade horrenda de massa em um pequeno espaço; um típico pulsar tem mais ou menos o tamanho da ilha de Manhattan, mas contém mais massa do que o Sol. Conforme elas giram – geralmente milhares de vezes por segundo – elas exercem os mais poderosos campos magnéticos conhecidos pelos astrofísicos. Ao mesmo tempo, fortes campos elétricos destroem partículas na superfície da estrela de nêutrons, lançando-os no espaço. Da Terra, podemos ver o feixe de raios gama e pulsos de rádio de um pulsar em intervalos primorosamente regulares – um efeito que é frequentemente comparado ao feixe pulsante de um farol.

Pulsares são como experimentos de aceleração de partículas gigantes que estão flutuando no espaço, e eles produzem muita coisa esquisita para a física, tanto na escala micro quanto macro. Os astrônomos estudam pulsares há mais de 50 anos, mas ainda não conseguiram explicar completamente aquilo que observam. E, é claro, nós não conseguimos criar essas condições extremas na Terra, nem somos capazes de observar esses objetos de perto, já que o pulsar mais próximo está a cerca de 770 anos-luz de distância da Terra.

É por isso que Brambilla e sua equipe utilizaram modelos computacionais para aprender mais sobre os pulsares e sobre como eles afetam o comportamento de partículas carregadas.

Para o novo estudo, publicado na última semana no periódico Astrophysical Journal, os cientistas utilizaram um modo relativamente novo de modelar pulsares – um sistema de simulação conhecido como PIC, ou partícula-em-célula.

“A técnica PIC nos permite explorar o pulsar a partir do princípio. Começamos com um pulsar que gira e está magnetizado, injetamos elétrons e pósitrons na superfície, e monitoramos como as partículas interagem com os campos e para onde vão”, explica no comunicado Constantinos Kalapotharakos, co-autor do estudo e cientista do Goddard Space Flight Center da NASA. “O processo é computacionalmente intenso porque os movimentos das partículas afetam os campos elétrico e magnético e os campos afetam as partículas, e tudo se move muito próximo na velocidade da luz”,

A simulação PIC foi realizada em um par de supercomputadores da NASA: o supercomputador Discover no Centro de Simulação Climática da NASA e o supercomputador Pleiades no Ames Research Center, na Califórnia. Incrivelmente, o modelo PIC rastreia o movimento de cada partícula, que coletivamente representa trilhões de elétrons e sua antimatéria, os pósitrons.

A nova simulação computacional mostrou movimentos de partículas que não tinham sido considerados por cientistas anteriormente. Por exemplo, os pesquisadores viram que a maioria dos elétrons viajavam para fora dos pólos magnéticos do pulsar. Enquanto isso, os pósitrons ficavam em altitudes mais baixas, formando finas estruturas chamadas “folha atual”.

Um comunicado na NASA explica algumas das observações feitas no estudo:

Algumas dessas partículas são impulsionadas a energias tremendas em pontos dentro da folha atual onde o campo magnético passa por uma reconexão, um processo que converte energia magnética armazenada em calor e aceleração de partículas.

Uma população de elétrons de média energia mostrou comportamento verdadeiramente estranho, espalhando-se de todas as maneiras – até mesmo de volta ao pulsar.

As partículas se movem com o campo magnético, que se move para trás e se estende para fora à medida que o pulsar gira. Sua velocidade de rotação sobe conforme cresce a distância, mas isso só pode durar tanto tempo porque a matéria não pode viajar na velocidade da luz.

A distância em que a velocidade de rotação do plasma atingiria a velocidade da luz é uma característica que os astrônomos chamam de cilindro luminoso e marca uma região de mudança abrupta. À medida que os elétrons se aproximam, eles de repente diminuem de velocidade e muitos se dispersam freneticamente. Outros podem passar pelo cilindro de luz e sair para o espaço.

Se isso soa um pouco indecifrável, recomendo que assista a simulação visual (mostrada no vídeo acima) produzida pela NASA, que ilustra muito bem esses processos.

É fácil entender o porquê dos cientistas ficarem tão animados a respeito dos pulsares, mas astrobiólogos e cientistas do SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence, que significa Busca por Inteligência Extraterrestre) também acreditam que esses objetos são valiosos também. Pesquisas publicadas no ano passado propunham que aliens avançados têm mais chances de construírem megaestruturas capazes de coletar energia ao redor de pulsares, em vez de estrelas normais. Isso porque os pulsares concentram energia em feixes discretos, em vez de jogarem-na para todas as direções, como a maioria das estrelas costumam fazer.

Brambilla e sua equipe esperam realizar novas simulações de pulsares, a fim de obter uma compreensão mais profunda de suas magnetosferas intensas, além de descobrir como os pulsares podem diferir uns dos outros.

[Astrophysical Journal]

Imagem do topo: Elétrons (azul) e pósitrons (vermelho) de um pulsar simulado por computador. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA