Explosões de raios gama são as explosões mais intensas do universo e são tipicamente causadas pelo colapso de estrelas ou pela colisão de remanescentes estelares compactos. No entanto, uma descoberta recente desafiou esse entendimento, pois não se encaixa em nenhuma dessas categorias. Astrônomos do Instituto Niels Bohr foram fundamentais neste estudo, que tem o potencial de revisar as teorias atuais sobre esses eventos poderosos.
Daniele Bjørn Malesani estava realizando uma observação de acompanhamento de rotina de uma explosão de raios gama, chamada GRB 211211A, usando o Telescópio Óptico Nórdico na ilha Canária La Palma. Um procedimento padrão depois de receber a mensagem de texto que foi acionada automaticamente pela espaçonave “Neil Gehrels Swift Observatory”, que monitora o céu em busca de rajadas de raios gama (Gamma Radio Burst – GRBs).
Mas algo não estava certo…
Malesani é astrônomo da Radboud University, na Holanda, e pesquisador convidado do Cosmic Dawn Center, em Copenhague. Ele é especialista em explosões de raios gama, as explosões mais energéticas do Universo.
Mas para entender o que não estava certo, vamos primeiro dar uma olhada no que é uma “explosão de raios gama”:
Tão brilhante quanto o próprio Universo
Explosões de raios gama são flashes breves e ultrabrilhantes da forma mais energética de luz, os raios gama. Principalmente detectados no Universo muito distante, eles geralmente vêm em duas categorias que se acredita surgirem de dois cenários físicos diferentes:
Explosões “longas” geralmente duram de alguns segundos a vários minutos, mas geralmente são acompanhadas por um brilho duradouro de luz menos energética. Eles são encontrados nas regiões mais formadoras de estrelas das galáxias e acredita-se que sejam o resultado de uma estrela massiva que colapsa em uma estrela de nêutrons compacta ou um buraco negro, ejetando suas partes externas em uma imensa explosão, semelhante a uma supernova.
Explosões “curtas” são ainda mais fugazes, com durações típicas de 1/10 a 1 segundo. Eles são frequentemente vistos afastados dos centros galácticos, ou mesmo fora das galáxias. A teoria predominante é que eles são o resultado de duas estrelas massivas orbitando uma à outra em um sistema “binário”. Em algum momento, eles explodem como supernovas, expulsando-os de sua galáxia hospedeira. Eventualmente, no entanto, os dois objetos entrarão em espiral e se fundirão, resultando em uma explosão de raios gama.
Em ambos os casos, a energia liberada é alucinante: em seu auge, elas podem brilhar tão intensamente quanto todas as estrelas do Universo observável combinadas (supondo que emitam luz igualmente em todas as direções; na realidade, elas provavelmente são um pouco menos brilhantes). mas emitem a maior parte de sua luz em jatos estreitos, onde por acaso estamos nessa direção).
As enigmáticas explosões de raios gama
Explosões de raios gama foram descobertas pela primeira vez em 1967 pelo satélite Vela, construído para monitorar o céu em busca de possíveis testes de armas nucleares, o que seria uma violação do Tratado de Proibição de Testes Nucleares de 1963. Pensados inicialmente como originários de fontes próximas dentro de nossa própria galáxia, observatórios espaciais mais sensíveis revelaram, na década de 1990, que devem vir de muito longe da Via Láctea, distribuídos por todo o Universo.
A natureza transitória das rajadas dificultou seu estudo, mas desde o final da década de 1990, os astrônomos foram capazes de detectar também seu brilho residual menos energético, de raios-X à luz óptica, ao infravermelho, ajudando a estabelecer uma teoria de sua origem.
Explosões de raios gama vêm em duas versões, “curta” e “longa”, que até agora se pensava surgirem de dois mecanismos físicos diferentes, ou seja, a fusão de dois objetos compactos e o colapso de uma estrela massiva, respectivamente. Com as novas observações, essa teoria agora está sendo contestada.
Sinais mistos
Então, qual foi o problema com a explosão de Malesani, GRB 211211A? Bem, parecia não se encaixar em nenhuma dessas categorias, ou talvez em ambas. “As observações mostraram que a explosão se originou fora de uma galáxia típica para hospedar rajadas curtas. Mas, em vez de ser um milissegundo ou alguns segundos, essa fera durou quase um minuto”, diz Malesani.
O peculiar evento levou uma equipe internacional de astrônomos, liderada por Jillian Rastinejad, da Northwestern University (EUA), a iniciar uma intensa campanha para estudar esse surpreendente objeto. Esses esforços levaram à descoberta completamente inesperada da chamada kilonova, a prova cabal da colisão de duas estrelas de nêutrons, ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
As fusões binárias de estrelas de nêutrons são amplamente consideradas as progenitoras de pequenas explosões de raios gama. Por que este foi seguido por uma longa explosão intrigou os astrônomos.
Luca Izzo, astrônomo da seção de pesquisa DARK do Instituto Niels Bohr, participou do estudo. Ele comenta: “As explosões de raios gama podem apresentar uma variedade de comportamentos, mas a distinção entre eventos longos e curtos foi claramente estabelecida desde a década de 1990 e é considerada um dos pilares da área. Essa descoberta nos pegou realmente de surpresa.”
Um novo motor para fazer ouro?
Acredita-se que os quilonovas sejam o principal mecanismo para a criação de elementos pesados, como a preciosa prata, ouro e platina, o plutônio radioativo e o urânio, assim como muitos outros. Como sempre na física, não existe prova definitiva de que uma kilonova é responsável pela longa explosão de raios gama.
Quando os astrônomos, no entanto, estão confiantes em sua interpretação, isso se deve a várias circunstâncias. Johan Fynbo, professor do Cosmic Dawn Center e participante do estudo, explica:
“O brilho da explosão mostrou cores e características que são consistentes com uma kilonova e que não foram vistas por nenhum outro tipo de objeto. Além disso, não esperaríamos ver uma estrela colapsando fora de uma galáxia, já que viajar tão longe leva centenas de milhões de anos, enquanto estrelas massivas colapsam em escalas de tempo inferiores a 10 milhões de anos”.
Mas, em princípio, a GRB 211211A poderia ser um colapsar dentro de uma galáxia fraca ou empoeirada não detectada, embora as imagens do Hubble sejam realmente muito profundas e devessem ter visto isso. “Observações de acompanhamento com os radiotelescópios mais sensíveis do ALMA no Chile, ou o Telescópio Espacial James Webb, seriam capazes de resolver esse problema”, observa Fynbo.
Se a interpretação for correta, ela não abre apenas um novo e empolgante mecanismo para as quilonovas formarem elementos pesados. É também uma forte motivação para procurar novas kilonovas na posição de GRBs longas.
“Kilonovae é um fenômeno relativamente novo e inexplorado para nós; até hoje, detectamos apenas alguns”, explica Daniele Bjørn Malesani. “Como não esperávamos que eles estivessem associados a GRBs longas, não os procuramos lá. Mas agora sabemos que a Natureza é mais engenhosa do que pensávamos anteriormente.”
A partir de um estudo anterior em 2006, os três astrônomos tiveram uma dica de que a colisão de estrelas de nêutrons pode ser capaz de manter seus motores ativos por mais de alguns segundos. Mas sem a detecção de uma kilonova, as evidências eram confusas. Uma teoria é que as estrelas de nêutrons colapsadas podem girar tão rápido – a uma fração significativa da velocidade da luz – que as forças centrífugas podem sustentar o objeto fundido por um tempo e adiar seu destino sombrio.
Observações futuras de GRBs mais longas de kilonovas nos ensinarão mais sobre esse fenômeno emocionante.
Publicado em 22/01/2023 11h59
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