Pulsar: A estrela de 30 quilômetros que gira centenas de vezes por segundo

Um pulsar não pode ser mais largo que 30 quilômetros, mas gira em seu eixo centenas de vezes a cada segundo, lançando um feixe de ondas de rádio – e menos frequentemente, radiação de energia mais alta como raios X. Como esse feixe apenas atinge a Terra quando passa por acaso, os radiotelescopios o registram como um pulso rápido e regular, em vez de um brilho constante, e é daí que vem o nome.

Os astrônomos já catalogaram mais de 2.600 desses objetos, a maioria dentro da Via Láctea. Longe de ser uma curiosidade, esse catálogo se tornou um conjunto de ferramentas científicas funcional: os pesquisadores usam pulsares para procurar ondas gravitacionais de baixa frequência, mapear a estrutura da galáxia e testar a teoria geral da relatividade de Einstein sob condições que nenhum laboratório na Terra poderia recriar.

O que se segue é a história de como os pulsares foram descobertos, os registros estranhos que alguns deles mantêm, e o que décadas de observação ensinaram aos físicos sobre a própria gravidade.

Em 1967, Jocelyn Bell Burnell descobriu os primeiros pulsares de rádio enquanto ainda trabalhava em seu PhD. Ela não escaneava uma tela para o sinal – seu equipamento de rastreamento produzia mais de 30 metros de registros em papel e lápis todos os dias, e os pulsos estranhos e constantes tiveram que ser detectados a olho nu entre o ruído.

Este tipo de classificação manual e paciente de dados é fácil de esquecer quando uma descoberta se torna física de livro didático, mas é exatamente como um sinal inexplicável se transformou em uma classe totalmente nova de estrela.

Em 1974, Antony Hewish e Martin Ryle se tornaram os primeiros astrônomos a receberem o Prêmio Nobel de Física, honrados em parte pelo papel decisivo de Hewish em trazer pulsares à luz. Continua sendo um dos Prêmios Nobel mais debatidos em astronomia, porque a descoberta que o possibilitou foi a de Bell Burnell: sua descoberta mereceu o mesmo Prêmio Nobel de Física de 1974, mas ela não foi nomeada entre os recipientes.

O episódio se tornou um ponto de referência padrão em conversas sobre crédito na ciência – não porque alguém duvide do que ela encontrou, mas por quem o comitê do Nobel escolheu recompenssar por encontrá-lo.

Nem todos os pulsares ficam quietos no espaço vazio. O Pulsar do Caranguejo ocupa o centro da Nebulosa do Caranguejo, os destroços de uma supernova que observadores na Terra viram explodir em 1054 – séculos antes de qualquer pessoa entender o que estava vendo.

O Pulsar do Caranguejo em si tem aproximadamente 20 quilômetros de largura, pequeno o suficiente para caber dentro de uma cidade de médio porte, e completa uma rotação completa a cada 33.392 milissegundos. Isso equivale a seus feixes varrendo um observador 29.946 vezes a cada segundo – rápido o suficiente para a nebulosa ao seu redor brilhar e piscar em sincronia com a rotação.

Pulsares ordinários já são rápidos, mas uma classe separada leva a ideia muito mais longe. PSR B1937+21 tem um título histórico: encontrado em 1982, foi o primeiro pulsar de milissegundo identificado, e gira aproximadamente 641 rotações por segundo. Quase meio século depois, ele ainda é classificado como o segundo mais rápido entre os aproximadamente 200 pulsares de milissegundo agora conhecidos – um lembrete de quão extremos esses objetos podem ser.

Pulsares se mostraram esconder outra surpresa: planetas. Em 1992, Aleksander Wolszczan encontrou os primeiros planetas extrassolares confirmados, orbitando o pulsar PSR B1257+12 – anos antes de qualquer pessoa detectar um planeta ao redor de uma estrela normal, semelhante ao Sol.

Um dos planetas desse sistema, catalogado como PSR B1257+12 b, é notavelmente pequeno: sua massa é pouco menos que o dobro da da Lua, tornando-o ainda o objeto confirmado menos massivo já encontrado além do Sistema Solar. Encontrar qualquer planeta ao redor de um pulsar foi surpreendente; encontrar um tão leve foi quase acidental.

No mesmo ano em que Hewish e Ryle coletaram seu Prêmio Nobel, os físicos Joseph Hooton Taylor Jr. e Russell Hulse já haviam encontrado algo possivelmente tão importante, em 1974: o primeiro pulsar conhecido orbitando outra estrela, designado PSR B1913+16. Como os pulsos de um pulsar chegam com precisão de relógio, o tempo deles permitiu aos físicos medir esse sistema binário com precisão extraordinária.

Décadas desse tempo produziram estimativas de massa de 1,4398 massas solares para o pulsar e 1,3886 massas solares para seu companheiro – números precisos o suficiente para detectar uma previsão sutil da relatividade geral. O período orbital do par está encolhendo a 0,997 vezes a taxa que o amortecimento da radiação gravitacional da relatividade prevê, cerca de tão perto de uma correspondência perfeita entre teoria e observação quanto a astrofísica chega.

Quase todos os pulsares conhecidos são o que astrônomos chamam de pulsar de estrela de nêutron – mas nem todos. No sistema binário AR Scorpii, a luz pulsante não vem de uma estrela de nêutron, mas de uma anã branca: um remanescente estelar altamente magnetizado, com intensidade de campo até 500 MG, cujo despin alimenta os pulsos da mesma forma que uma estrela de nêutron.

Isso torna AR Scorpii o primeiro exemplo confirmado de um pulsar de anã branca, estendendo a definição de "pulsar" bem além do tipo de objeto que originalmente lhe deu um nome.

A busca por mais pulsares continua se tornando cada vez mais capaz. O radiotelescopio de Parkes da Austrália fez sua primeira observação de pulsar em 1968 e desde então se tornou um ícone nacional, aparecendo ao lado de uma imagem de pulsar na primeira nota de 50 dólares australianos. Mais recentemente, o radiotelescopio FAST da China – seu nome completo é o Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – se tornou um dos instrumentos mais poderosos agora varrendo o céu para novos pulsares.

Entre pratos sensíveis novos e décadas de dados de timing paciente, a ciência do pulsar não mostra sinais de desaceleração; os objetos que começaram como um padrão inexplicável em uma fita de papel gráfico se tornaram uma das ferramentas mais produtivas da astrofísica.

• Phys.org: Fifty years ago, Jocelyn Bell discovered pulsars and changed our view of the universe
• arXiv: Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16
• arXiv: Polarimetric evidence of a white dwarf pulsar in the binary system AR Scorpii
• Wikipedia: Pulsar
• Wikipedia: Jocelyn Bell Burnell
• Wikipedia: Crab Pulsar
• Wikipedia: Millisecond pulsar