Um pulsar é o cadáver de uma estrela grande: uma esfera de cerca de 20 quilômetros de diâmetro, mais pesada que o Sol inteiro, que gira muito rápido e dispara dois feixes de radiação pelos polos magnéticos. Se um desses feixes cruza a Terra a cada volta, nossos telescópios registram um pulso — e é daí que vem o nome. O que torna o pulsar especial não é o brilho: é a pontualidade. Ele repete o pulso com uma regularidade tão boa que a NASA já fez a conta ao contrário e usou quatro pulsares para descobrir, sozinha e em tempo real, onde uma nave estava.
Em outras palavras: um pulsar é uma estrela morta que virou relógio. E um punhado deles pode virar GPS.
O que sobra quando a estrela acaba
Estrelas bem maiores que o Sol terminam a vida numa explosão de supernova. O miolo delas desaba sobre si mesmo com tanta violência que elétrons e prótons são espremidos uns contra os outros e viram nêutrons — as partículas sem carga elétrica que, aqui embaixo, ficam dentro do núcleo dos átomos.
O resultado é uma estrela de nêutrons: uma bola de uns 20 km de diâmetro com mais massa que o Sol. Vinte quilômetros é menos que a largura da cidade de São Paulo. Uma colher de chá desse material pesaria cerca de um bilhão de toneladas. A história completa desse colapso está em O que sobra quando uma estrela morre?.
Nem toda estrela de nêutrons é um pulsar. Pulsar é a estrela de nêutrons que a gente consegue flagrar piscando — o que depende de ela girar, de ter um campo magnético forte e, principalmente, de um dos feixes dela apontar para cá.
Por que ele pisca: o farol desalinhado
A descrição que a própria NASA usa é a de um farol, e ela funciona bem.
O campo magnético do pulsar canaliza partículas e radiação por dois funis, um em cada polo magnético. Mas o eixo magnético quase nunca está alinhado com o eixo de rotação — na Terra acontece a mesma coisa, e é por isso que o norte da bússola não é o norte do globo. Resultado: enquanto a estrela gira, os dois feixes varrem o espaço em círculo, como as pás de um ventilador de teto desenhando no ar.
A analogia mais perto do dia a dia brasileiro é o giroflex de uma viatura. A lâmpada está acesa o tempo todo; você, parado na calçada, só enxerga o clarão quando ela aponta na sua direção. Um pulsar é isso em escala de estrela: ele não liga e desliga, ele gira.
Daí sai a consequência mais importante: se o feixe não aponta para a Terra em nenhum momento da rotação, o pulsar existe e nós nunca saberemos. Estamos vendo apenas os que, por sorte de geometria, varrem o nosso canto do céu.
A descoberta de 1967 e os "homenzinhos verdes"
A história do primeiro pulsar é uma das melhores da astronomia, e ela começa com uma estudante conferindo papel impresso.
Em 1967, em Cambridge, na Inglaterra, a então doutoranda Jocelyn Bell analisava os rolos de papel de um radiotelescópio que ela ajudara a construir. O aparelho fora feito para estudar quasares, e o trabalho dela era passar os olhos em quilômetros de registro em busca de sinais úteis. Em 6 de agosto de 1967 apareceu, pela primeira vez, uma rabiscada estranha — algo que não parecia nem fonte astronômica conhecida nem interferência de rádio terrestre.
A pista decisiva foi o relógio: o sinal voltava no mesmo horário sideral, e não no mesmo horário do relógio de pulso. Horário sideral é o tempo marcado pelas estrelas, que adianta cerca de quatro minutos por dia em relação ao nosso — se um sinal obedece a ele, ele vem do céu, não da Terra.
Em novembro, gravando com resolução de tempo maior, a equipe viu o que era: uma sequência de pulsos separados por 1,3373 segundo, repetida com uma precisão que ninguém esperava de um fenômeno natural. O objeto foi apelidado de LGM-1 — de Little Green Men, homenzinhos verdes em inglês — porque, por algumas semanas, uma origem inteligente não pôde ser descartada. A hipótese caiu quando Bell encontrou outras fontes iguais em pontos diferentes do céu: civilizações distintas dificilmente transmitiriam no mesmo formato. O artigo saiu na revista Nature em fevereiro de 1968.
O Nobel de Física de 1974 foi para o orientador dela, Antony Hewish, e para Martin Ryle. Bell ficou de fora, numa decisão que a comunidade científica discute até hoje. Casos em que um sinal estranho foi investigado como possível mensagem estão reunidos em Sinais de alienígenas: o que a ciência já captou de verdade.
Um relógio que não atrasa
Os períodos dos pulsares vão de milissegundos a segundos, segundo a NASA. Os mais lentos giram uma vez a cada poucos segundos; os chamados pulsares de milissegundo giram centenas de vezes por segundo — rápido o bastante para que a superfície da estrela esteja se movendo a uma fração considerável da velocidade da luz.
Três exemplos dão a régua:
| Pulsar | Uma volta a cada | Para comparar |
|---|---|---|
| O primeiro descoberto, em 1967 | 1,3373 segundo | o ritmo de um metrônomo lento |
| O da Nebulosa do Caranguejo | 1/30 de segundo | mais rápido que o piscar de um olho |
| Um pulsar de milissegundo | milésimos de segundo | centenas de voltas por segundo |
São três linhas, e os três são a mesma coisa: uma bola de 20 km girando.
E eles são teimosos. Um pulsar perde rotação muito devagar, de forma previsível, porque não há atrito no vácuo para freá-lo: a única coisa que o segura é a energia que ele irradia. Isso faz dele um cronômetro natural de qualidade excepcional — a ponto de os astrônomos usarem o atraso e o adianto dos pulsos para detectar coisas invisíveis.
Foi assim, aliás, que se achou um dos primeiros planetas fora do Sistema Solar: um planeta em volta de um pulsar bagunça o ritmo dos pulsos de um jeito mensurável. Os seis métodos de caça a planetas estão em Como descobrem planetas fora do Sistema Solar?.
O mapa que a Terra mandou para fora
Antes de servirem de GPS, os pulsares já tinham sido usados como endereço.
As sondas Pioneer 10 e 11, lançadas no começo dos anos 1970, levaram presa à estrutura uma placa de alumínio com um desenho destinado a quem, um dia, as encontrasse. Ela foi concebida por Carl Sagan e Frank Drake, e a arte é de Linda Salzman Sagan. No canto esquerdo da placa há uma figura que parece uma estrelinha de linhas irregulares saindo de um ponto. É um mapa: cada linha aponta para um dos 14 pulsares conhecidos na época, e junto de cada traço está escrito o ritmo exato daquele pulsar.
A ideia é engenhosa. Como cada pulsar tem um período próprio e previsível, quem receber a placa pode identificá-los um a um pela cadência, medir de onde cada um é visto naquele ângulo e triangular a posição do Sol — e, portanto, da Terra. Para que os números não dependessem de metro, segundo nem de qualquer convenção nossa, a placa usa como régua uma propriedade do átomo de hidrogênio, que é igual em todo o universo. É um endereço escrito numa linguagem que não depende de idioma nem de época. Onde essas sondas estão hoje está em As 5 naves que estão saindo do Sistema Solar para sempre.
O GPS da galáxia, testado em 2017
O passo seguinte era óbvio e demorou décadas: se um pulsar é um relógio pontual num endereço fixo, uma nave pode usar vários deles para descobrir onde está — exatamente como um celular usa os relógios atômicos dos satélites para se localizar, mecanismo explicado em Como o GPS sabe onde você está (satélites explicados).
A NASA montou o teste em cima do NICER, um telescópio de raios X instalado na Estação Espacial em 3 de junho de 2017. Acoplado a ele foi o experimento SEXTANT, cujo objetivo era fazer o software de bordo se localizar sozinho, sem nenhuma ajuda da Terra.
O plano de observação foi carregado em 9 de novembro de 2017, e o programa começou com uma posição inicial de propósito errada. Em cerca de 7 horas e meia ele já tinha reduzido o erro para menos de 10 quilômetros, e ficou abaixo disso pelos 2,2 dias do experimento. Foram 78 medições, tiradas de quatro pulsares de milissegundo:
| Pulsar usado | Medições |
|---|---|
| J0218+4232 | 33 |
| B1821−24 | 30 |
| J0030+0451 | 13 |
| J0437−4715 | 2 |
Dez quilômetros de erro para um objeto em órbita é um resultado excelente para um primeiro teste — e, ao contrário do GPS, esse método não precisa de satélite nenhum: funciona em qualquer lugar de onde se enxerguem os pulsares. A NASA escreveu que a demonstração "estabelece firmemente a viabilidade da navegação por pulsares de raios X". A meta seguinte, ainda em aberto, é chegar a menos de 1 quilômetro.
Para missões distantes isso importa muito. Hoje uma sonda longe da Terra depende de antenas gigantes em terra para saber onde está, e o sinal leva horas para ir e voltar, como se conta em Como a NASA conversa com sondas a bilhões de km daqui. Com pulsares, a nave se localiza sozinha, na hora.
