Cosmos para Curiosos #5: o que são pulsares?

Pulsares são alguns dos objetos mais fascinantes e exóticos do Universo. São estrelas de nêutrons altamente magnetizadas e em rotação rápida, que emitem feixes de radiação eletromagnética a partir de seus polos magnéticos. 

Esses feixes varrem o espaço como um farol cósmico, e quando estão alinhados com a Terra, podem ser detectados como pulsos regulares de radiação. Mas como funcionam exatamente esses objetos e como foram descobertos?

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A história dos pulsares começa em 1967, quando a astrofísica Jocelyn Bell Burnell, então estudante de doutorado, detectou sinais de radiação rápidos e regulares utilizando um radiotelescópio da Universidade de Cambridge. 

Inicialmente apelidado de "LGM-1" (Little Green Men), o sinal foi logo reconhecido como natural, vindo de uma fonte celeste. Posteriormente, foi identificado como sendo proveniente de uma estrela de nêutrons rotativa: nasciam as primeiras ideias acerca dos pulsares.

A descoberta rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1974 a Antony Hewish e Martin Ryle, mas Bell Burnell, que desempenhou papel central, não foi incluída, o que permanece como uma das grandes controvérsias da história da ciência.

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Um pulsar é uma estrela de nêutrons que gira rapidamente e possui um campo magnético intenso. As estrelas de nêutrons são remanescentes de supernovas: quando uma estrela massiva esgota seu combustível nuclear, seu núcleo entra em colapso, formando um objeto extremamente denso com cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, mas com apenas 20 a 30 km de diâmetro.

O campo magnético desses objetos pode ser trilhões de vezes mais intenso que o da Terra, e sua rotação pode variar de milissegundos a alguns segundos. Os feixes de radiação são gerados na região dos polos magnéticos, que, em geral, não coincidem com os polos de rotação. Assim, conforme o pulsar gira, os feixes podem atingir periodicamente a Terra, produzindo os pulsos observados.

Quais os diferentes tipos de pulsar?

Os pulsares são classificados em diferentes categorias, de acordo com suas propriedades:

• Pulsares de período longo: giram mais lentamente, com períodos de rotação de segundos;
• Pulsares de milissegundos: extremamente rápidos, com rotações de até 700 voltas por segundo. Acredita-se que tenham sido "reciclados" ao acumular matéria de uma estrela companheira;
• Magnetares: Um tipo de estrela de nêutrons com campos magnéticos ainda mais intensos, que emitem pulsos de raios X e gama;
• Pulsares binários: formam sistemas com outra estrela, permitindo testes rigorosos da relatividade geral, como no pulsar binário de Hulse-Taylor.

Os pulsares são laboratórios naturais de física extrema. Por sua precisão temporal, são usados como "relógios cósmicos". Alguns têm estabilidade comparável ou superior a relógios atômicos, usados para:

• Testar a relatividade geral: graças às altas energias envolvidas nos processos físicos, sistemas binários com pulsares permitem medir efeitos relativísticos com altíssima precisão;
• Detectar ondas gravitacionais: redes de pulsares (PTAs, Pulsar Timing Arrays) estão sendo usadas para detectar ondas gravitacionais de baixa frequência, emitidas por buracos negros supermassivos em fusão;
• Estudar a matéria densa: as condições no interior de uma estrela de nêutrons são impossíveis de reproduzir em laboratório. Observar pulsares ajuda a entender o comportamento da matéria em densidades nucleares;
• Fast radio bursts (FRBs): são explosões de ondas rádios intensas e breves, cuja origem ainda é um mistério. Alguns FRBs repetitivos parecem estar associados a magnetares.

Nos últimos anos, observações recentes têm fornecido novos dados e informações acerca da natureza destes objetos. Em 2023, por exemplo, colaborações como NANOGrav e EPTA anunciaram indícios de um fundo de ondas gravitacionais usando pulsares. 

Além disso, novos telescópios como o FAST, na China, e o SKA (Square Kilometre Array), em construção na África do Sul e Austrália, prometem multiplicar o número de pulsares conhecidos. 

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Pulsares são uma das classes de objetos mais exóticas e mais extremas da física. Desde sua descoberta acidental, transformaram-se em ferramentas únicas para testar teorias fundamentais da natureza em condições extremas e, potencialmente, mapear o cosmos em escalas nunca imaginadas. 

A cada novo pulsar descoberto, damos mais um passo para compreender a complexidade deste emaranhado imenso que chamamos de Universo.