Pesquisadores do Large High Altitude Air Shower Observatory detalharam a curva de luz completa de fótons de alta energia de uma explosão de raios gama (GRB) pela primeira vez, desafiando os modelos teóricos atuais. Sua observação do excepcionalmente raro e brilhante GRB 221009A, uma explosão de uma estrela massiva há dois bilhões de anos, fornece dados inestimáveis para a compreensão dos mecanismos do GRB.
Novas descobertas de pesquisas sobre a explosão de raios gama (GRB) chamada GRB 221009A do Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) foram publicadas online pela revista Science em 8 de junho de 2023. O estudo, intitulado “A tera-electronvolt afterglow from um jato estreito em um GRB 221009A extremamente brilhante”, foi completado pela colaboração internacional LHAASO.
Cerca de dois bilhões de anos atrás, uma estrela massiva mais de 20 vezes mais pesada que o Sol consumiu a energia de fusão de seu combustível nuclear, entrou em colapso instantaneamente e provocou uma explosão massiva, desencadeando assim uma explosão colimada de fogos de artifício cósmicos conhecida como raios gama. burst (GRB) que durou centenas de segundos. Os fótons de raios gama de alta energia, gerados a partir da colisão entre a bola de fogo e a matéria interestelar, viajaram pelo vasto universo e seguiram direto para a Terra. Na noite de 9 de outubro de 2022, às 13:20:50 UT, esses fótons atingiram o campo de visão do LHAASO, onde mais de 60.000 fótons de raios gama foram coletados. Após vários meses de análise, os cientistas finalmente revelaram os detalhes desse evento de explosão.
LHAASO mede com precisão pela primeira vez toda a curva de luz de fótons de alta energia do brilho residual de um GRB
O fluxo de fótons coletados pelo LHAASO indica que eles vieram da radiação após a explosão principal. A explosão principal, ou seja, a emissão imediata, é a explosão massiva inicial caracterizada por intensa radiação de raios gama de baixa energia. A explosão seguinte, conhecida como brilho residual, é produzida quando a matéria ejetada colide com o gás interestelar circundante a velocidades muito próximas da velocidade da luz. “LHAASO mediu com precisão o processo completo do brilho residual pela primeira vez, compreendendo toda a fase do fluxo de raios gama tera-elétronvolt desde a ascensão até o decaimento”, disse CAO Zhen, investigador principal do projeto LHAASO, porta-voz da colaboração LHAASO, e professor do Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) da Academia Chinesa de Ciências.
Com base na observação de dezenas de milhares de GRBs, os cientistas desenvolveram modelos teóricos aparentemente perfeitos e têm forte confiança neles. O LHAASO observou a curva completa da luz de alta energia que outros experimentos ainda não atingiram, fornecendo uma base de dados perfeita para testes precisos desses modelos teóricos. Dada a raridade desse evento, que provavelmente ocorre apenas uma vez a cada milênio, espera-se que esse resultado observado permaneça como um dos melhores nas próximas décadas ou mesmo séculos.
LHAASO mede pela primeira vez o rápido processo de aprimoramento do fluxo de fótons de alta energia de um GRB
“No início do arrebol, o LHAASO detectou pela primeira vez o aumento extremamente rápido do fluxo de fótons”, disse YAO Zhiguo, professor do IHEP e um dos autores correspondentes do artigo. Dentro de um intervalo de tempo de menos de dois segundos, o fluxo aumentou por um fator de mais de cem, seguido por um aumento lento que está de acordo com as características esperadas de um brilho residual. O fenômeno de realce precoce supera as expectativas dos modelos teóricos anteriores. Isso leva a uma pergunta: quais mecanismos estão realmente em jogo. Os resultados publicados desencadeariam discussões aprofundadas na comunidade científica sobre os mecanismos envolvidos nos GRBs, incluindo injeção de energia, absorção de fótons e aceleração de partículas.
LHAASO revela o mistério do brilho do GRB mais brilhante de todos os tempos
As observações do LHAASO mostraram que a radiação de alta energia diminui mais rapidamente em brilho cerca de 10 minutos após o início do arrebol. “Isso pode ser explicado pelo fato de que o material ejetado após a explosão forma uma estrutura semelhante a um jato, e a rápida diminuição do brilho ocorre quando o ângulo de radiação se estende até a borda do jato”, disse WANG Xiangyu, professor de Nanjing. University e um dos autores correspondentes do artigo. Devido à ocorrência extremamente precoce dessa transição de brilho, infere-se que o ângulo medido do jato seja extremamente pequeno, apenas 0,8 graus. Este é o menor ângulo de jato conhecido até o momento, indicando que o que foi observado é na verdade o núcleo mais brilhante de um típico jato internamente brilhante e externamente escuro. “O observador está de frente para o núcleo mais brilhante do jato, e isso naturalmente explica por que essa explosão de raios gama é a mais brilhante da história e por que tal evento é tão raro”, disse DAI Zigao, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da CAS e um dos autores correspondentes do artigo.
As observações intensivas de dados do LHAASO em alta energia revelarão mais mistérios
Dentro da curta duração deste evento, o número de fótons LHAASO registrados excedeu o número cumulativo de fótons observados na Nebulosa do Caranguejo “vela padrão” nos últimos anos. “Se os critérios de seleção fossem ligeiramente relaxados, a contagem de fótons poderia chegar a 100.000!” disse ZHA Min, professor do IHEP e um dos autores correspondentes do artigo. Como comparação, outros instrumentos na faixa de energia semelhante detectaram menos de 1.000 fótons em outros GRBs até agora e só são capazes de detectar fótons dezenas de segundos após a explosão”. A partir de agora, ainda existem muitas incógnitas neste evento de explosão, e os cientistas da LHAASO ainda estão analisando os dados, a fim de revelar mais segredos. Por favor, fique atento aos resultados subsequentes da análise da LHAASO”, disse o Prof. CAO, expressando expectativas otimistas para novas realizações da LHAASO.
Informações básicas: GRB
GRBs são os fenômenos de explosão astronômica mais intensos no universo desde o Big Bang. Eles se referem ao aumento repentino na emissão de raios gama de uma direção específica no céu. Os GRBs podem durar apenas uma fração de segundo ou várias horas. Os GRBs de curta duração são produzidos pela fusão de dois objetos celestes compactos próximos, como buracos negros ou estrelas de nêutrons, enquanto os GRBs de longa duração são causados pelo colapso e explosão de estrelas massivas (supernovas) quando seu combustível se esgota.
Em 9 de outubro de 2022, às 13:16:59.59 UT, a espaçonave Fermi detectou pela primeira vez um GRB excepcionalmente brilhante, ao qual foi atribuído o nome GRB221009A de acordo com a convenção internacional. Posteriormente, dezenas de detectores espaciais e terrestres observaram essa explosão. Este GRB é um evento de longa duração, com seu brilho superando o dos GRBs anteriores em várias dezenas de vezes. O fluxo de fótons extremamente alto saturou os detectores de vários experimentos internacionais. O LHAASO da China, o satélite High-Energy Burst Explorer (HEBS) e o satélite Insight-HXMT detectaram simultaneamente este GRB, alcançando observações abrangentes abrangendo 11 ordens de magnitude em energia. A pré-impressão das observações de satélite foi publicada em 28 de março de 2023. A subsequente análise conjunta de dados baseada em observações espaciais e terrestres foi amplamente realizada e mais descobertas de pesquisas serão publicadas sucessivamente.
Informações básicas: LHAASO
LHAASO, uma das principais instalações científicas e tecnológicas nacionais da China, tem como objetivo conduzir a observação e pesquisa de raios cósmicos. Ele está localizado na Montanha Haizi, Condado de Daocheng, Província de Sichuan. Tem uma altitude média de 4.410 metros e cobre aproximadamente 1,36 quilômetros quadrados. O LHAASO consiste em três tipos de arranjos: o Kilometer Square Array (KM2A), que é um arranjo de detectores de partículas terrestres cobrindo um quilômetro quadrado e composto por 5.216 detectores de partículas eletromagnéticas e 1.188 detectores de múons; o Water Cherenkov Detector Array (WCDA), que cobre 78.000 metros quadrados e compreende 3.120 células de detecção; e o Wide Field-of-view Cherenkov Telescope Array (WFCTA), composto por 18 telescópios. O LHAASO permite medições de banda larga e compostas de raios gama e raios cósmicos de fontes celestes de alta energia, facilitando a pesquisa em astrofísica e campos relacionados.
Os resultados atuais são fornecidos principalmente pela WCDA. O WCDA utiliza 360.000 toneladas de água purificada como meio e emprega 6.240 tubos fotomultiplicadores colocados debaixo d’água. Ele mede os produtos secundários de raios gama ou raios cósmicos produzidos na atmosfera, coletando sinais de luz Cherenkov gerados por essas partículas secundárias na água. A faixa de energia das observações de raios gama abrange duas ordens de magnitude, de cerca de 100 GeV a mais de 10 TeV. Com seu amplo campo de visão e alta capacidade de ciclo de trabalho, o WCDA tem vantagens proeminentes na captura de fenômenos celestes transitórios como GRBs.
O projeto LHAASO é financiado conjuntamente pela Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma da China e pelo Governo da Província de Sichuan. A fase de construção durou quatro anos, com início em julho de 2017. A construção das instalações foi concluída e os instrumentos entraram em operação total em julho de 2021.
Atualmente, 32 universidades e institutos de pesquisa nacionais e internacionais tornaram-se instituições membros da colaboração internacional da LHAASO, que inclui aproximadamente 280 cientistas colaboradores.
Comentários de Peter Meszaros, professor da Universidade Estadual da Pensilvânia
Graças à grande área de observação do LHAASO e à avançada tecnologia de detecção, esta é a primeira vez que o componente síncrotron-auto-Compton da curva de luz pós-luminescência inicial de choque externo foi detectado em energias TeV. Isso, além disso, mostra um recurso de desaceleração fornecendo uma medição do fator de Lorentz de aproximadamente 440. Também mostra uma leve quebra de curva, interpretada como um ângulo de abertura do jato de cerca de 0,8 graus, que reduz a energia total do jato para cerca de 10 ^51 ergs, consistente com outros GRBs.
Comentários do GAO He, professor do Departamento de Astronomia da Universidade Normal de Pequim
Os GRBs são os fenômenos explosivos mais violentos do universo, com energia emitida em poucos segundos equivalente à energia total irradiada pelo Sol ao longo de 10 bilhões de anos. Após meio século de pesquisa, os cientistas perceberam que os GRBs se originam de ambientes físicos muito extremos, como campos magnéticos elevados, gravidade forte e velocidades ultrarrápidas. Como tal, os GRBs tornaram-se laboratórios de física extrema favorecidos no campo da astrofísica e até mesmo da física fundamental. As pessoas esperam usar GRBs para estudar a história evolutiva cósmica, a origem dos elementos pesados e a validade da relatividade, bem como outras questões importantes. No entanto, uma compreensão profunda das origens físicas dos próprios GRBs é um pré-requisito para abordar essas questões.
Até agora, dezenas de milhares de GRBs foram detectados por humanos, e quase todos os avanços na compreensão dos GRBs foram conduzidos por observações de eventos excepcionais. Em 9 de outubro de 2022, o GRB mais brilhante já registrado (mais tarde chamado GRB221009A) foi detectado, e os cientistas estimaram que um GRB tão brilhante passando pela Terra ocorre uma vez em milhares de anos. A humanidade teve uma sorte incrível desta vez porque GRB221009A caiu dentro do campo de visão ideal de LHAASO. Atendendo às expectativas, o LHAASO forneceu pela primeira vez a curva de luz completa e o espectro de energia de um GRB em energias TeV, promovendo significativamente nossa compreensão dos mecanismos de radiação GRB e estruturas de jato.
Comentários de revisores anônimos convidados pela revista
1. A Colaboração LHAASO apresenta uma observação inovadora e muito importante do primeiro brilho residual GRB na faixa de energia TeV.
2. Este é um resultado experimental extraordinário que merece ser publicado rapidamente e é perfeitamente adequado para a revista – é provável que se torne um dos artigos mais citados no campo. Parabenizo a colaboração neste resultado – que fornece uma perspectiva completamente nova sobre GRBs a partir deste evento “único na vida”.
3. As observações do LHAASO de GRB 221009A capturaram pela primeira vez a fase ascendente da radiação pós-brilho… Gostaria de parabenizar a Colaboração LHAASO pelo excelente resultado.
Publicado em 22/06/2023 19h15
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