doi.org/10.1038/s41550-024-02237-4
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#Raios Gama #GRB
Em outubro de 2022, as pesquisas que monitoravam os céus em busca de explosões no espaço começaram a disparar como um sapo na meia.
A razão? Algo a 2,4 bilhões de anos-luz de distância cuspiu a maior explosão de radiação gama alguma vez registada. O evento, GRB 221009A, atingiu um recorde de 18 teraelétron-volts e foi tão poderoso que abalou a atmosfera externa da Terra.
O evento, apelidado de BOAT (O Mais Brilhante de Todos os Tempos), mais tarde determinamos ser o nascimento de um buraco negro a partir da morte violenta de uma estrela massiva.
Agora, uma nova análise da luz em evolução revelou os meandros desta explosão e descobriu que, apesar de toda a sua fúria de raios gama, o BOAT era na verdade surpreendentemente comum, o que não era algo que esperávamos.
“Não é mais brilhante do que as supernovas anteriores”, diz o astrofísico Peter Blanchard, da Universidade Northwestern, nos EUA.
“Parece bastante normal no contexto de outras supernovas associadas a explosões de raios gama (GRBs) menos energéticas. Você poderia esperar que a mesma estrela em colapso produzindo uma GRB muito energética e brilhante também produziria uma supernova muito energética e brilhante. Mas isso Acontece que não é esse o caso. Temos esta GRB extremamente luminosa, mas uma supernova normal.”
As explosões de raios gama são as explosões mais poderosas vistas no cosmos. São, como o nome sugere, explosões de radiação gama – a luz mais energética do Universo – que podem explodir em 10 segundos com tanta energia como o Sol emitirá em 10 bilhões de anos.
Sabemos de pelo menos dois eventos importantes que podem criar uma GRB: a formação de um buraco negro quando uma estrela massiva se transforma em supernova, ou a hipernova que acompanha a fusão de duas estrelas de nêutrons.
Acredita-se que os tipos de novas que produzem explosões de raios gama também sejam responsáveis pela produção de elementos pesados no Universo. A questão é que os elementos pesados simplesmente não existiam até que as estrelas os criassem.
As estrelas formam-se principalmente a partir do gás hidrogénio abundante no Universo, mas colidem núcleos atómicos nos seus núcleos para criar elementos mais pesados. Isso atinge o máximo no ferro, porque a fusão dos átomos de ferro suga mais energia do que gera.
Elementos mais pesados que o ferro, entretanto, podem ser formados no meio violento de uma gigantesca explosão cósmica. E nós vimos isso! Após as colisões de estrelas de nêutrons, os cientistas detectaram elementos pesados demais para se formarem por meio da fusão do núcleo.
Mas há muita coisa que não sabemos. Se conseguirmos identificar quais explosões têm maior probabilidade de produzir esses elementos, teremos uma nova ferramenta para compreender não apenas como o Universo produz as coisas, mas também quão comuns são essas explosões.
Então, naturalmente, Blanchard e seus colegas queriam dar uma olhada no GRB 221009A para ver se havia assinaturas de elementos pesados na luz que ele emitia.
Mas eles tiveram que esperar. A explosão foi tão forte que basicamente cegou nossos instrumentos.
“O GRB era tão brilhante que obscureceu qualquer assinatura potencial de supernova nas primeiras semanas e meses após a explosão”, explica Blanchard.
“Nesses momentos, o chamado brilho residual do GRB era como os faróis de um carro vindo direto em sua direção, impedindo que você visse o carro em si. Então, tivemos que esperar que ele diminuísse significativamente para nos dar uma chance de vendo a supernova.”
Só cerca de seis meses depois de termos visto a explosão pela primeira vez é que os investigadores conseguiram usar o Telescópio Espacial James Webb para observar a luz em comprimentos de onda infravermelhos. Foi assim que conseguiram determinar que a supernova em si era relativamente normal. A razão pela qual era tão brilhante foi provavelmente porque o jato da explosão de raios gama foi direcionado diretamente para a Terra.
Os pesquisadores então combinaram os dados do James Webb com observações de rádio do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array para procurar faixas de comprimento de onda específicas consistentes com a presença de elementos pesados. No entanto, embora tenham encontrado coisas como cálcio e oxigénio, que são bastante comuns nas supernovas, não houve sinal de produção de elementos pesados.
Agora, a taxa à qual as estrelas de nêutrons se fundem não é suficiente para gerar a quantidade de material pesado que vemos no Universo. Esperava-se que explosões gigantes como a GRB 221009A contribuíssem, mas a falta de elementos pesados sugere que estávamos errados sobre isso.
Portanto, precisamos analisar outras fontes potenciais para ver se conseguimos identificar o culpado, dizem os pesquisadores.
“Não vimos assinaturas destes elementos pesados, sugerindo que GRBs extremamente energéticos como o BOAT não produzem estes elementos”, diz Blanchard.
“Isso não significa que todos os GRBs não os produzam, mas é uma informação importante à medida que continuamos a compreender de onde vêm estes elementos pesados. Observações futuras com o James Webb determinarão se os primos ‘normais’ do BOAT produzem estes elementos. ”
Veja o que a NASA diz a respeito da explosão:
No domingo, 9 de outubro de 2022, um pulso de radiação intensa varreu o sistema solar tão excepcional que os astrônomos rapidamente o apelidaram de BOAT – o mais brilhante de todos os tempos. Depois de passar meses a analisar os dados, os astrônomos compreendem agora melhor o seu impacto científico. A fonte foi uma explosão de raios gama (GRB), a classe de explosões mais poderosa do universo.
A explosão acionou detectores em inúmeras espaçonaves, e observatórios ao redor do mundo fizeram o acompanhamento. Depois de analisar todos estes dados, os astrônomos podem agora caracterizar o quão brilhante era e compreender melhor o seu impacto científico.
“GRB 221009A foi provavelmente a explosão mais brilhante nas energias de raios X e raios gama desde o início da civilização humana”, disse Eric Burns, professor assistente de física e astronomia na Louisiana State University em Baton Rouge. Ele liderou uma análise de cerca de 7.000 GRBs – a maioria detectada pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA e pelo instrumento russo Konus na nave espacial Wind da NASA – para estabelecer a frequência com que eventos tão brilhantes podem ocorrer. A resposta deles: uma vez a cada 10.000 anos.
A explosão foi tão brilhante que cegou efetivamente a maioria dos instrumentos de raios gama no espaço, o que significa que não puderam registar diretamente a intensidade real da emissão. Cientistas norte-americanos conseguiram reconstruir esta informação a partir dos dados do Fermi. Eles então compararam os resultados com os da equipe russa que trabalha nos dados do Konus e com as equipes chinesas que analisam as observações do detector GECAM-C em seu satélite SATech-01 e instrumentos em seu observatório Insight-HXMT. Juntos, eles provam que a explosão foi 70 vezes mais brilhante do que qualquer outra já vista.
Burns e outros cientistas apresentaram novas descobertas sobre o BOAT na reunião da Divisão de Astrofísica de Alta Energia da Sociedade Astronômica Americana em Waikoloa, Havaí. As observações da explosão abrangem todo o espectro, desde ondas de rádio até raios gama, e incluem dados de muitas missões da NASA e de parceiros, incluindo o telescópio de raios X NICER na Estação Espacial Internacional, o observatório NuSTAR da NASA e até mesmo a Voyager 1 no espaço interestelar. Os artigos que descrevem os resultados apresentados aparecem numa edição especial do The Astrophysical Journal Letters.
O sinal do GRB 221009A viajou durante cerca de 1,9 bilhões de anos antes de chegar à Terra, tornando-o um dos GRBs “longos” mais próximos conhecidos, cuja emissão inicial, ou imediata, dura mais de dois segundos. Os astrônomos pensam que estas explosões representam o nascimento de buracos negros formados quando os núcleos de estrelas massivas colapsam sob o seu próprio peso. À medida que ingere rapidamente a matéria circundante, o buraco negro emite jatos em direções opostas contendo partículas aceleradas até perto da velocidade da luz. Esses jatos atravessam a estrela, emitindo raios X e raios gama à medida que fluem para o espaço.
Com este tipo de GRB, os astrônomos esperam encontrar uma supernova brilhante algumas semanas mais tarde, mas até agora tem-se revelado difícil. Uma das razões é que o GRB apareceu numa parte do céu que está apenas alguns graus acima do plano da nossa galáxia, onde espessas nuvens de poeira podem diminuir bastante a luz que chega.
“Não podemos dizer conclusivamente que existe uma supernova, o que é surpreendente dado o brilho da explosão”, disse Andrew Levan, professor de astrofísica na Universidade Radboud em Nijmegen, Holanda. Como as nuvens de poeira se tornam mais transparentes nos comprimentos de onda do infravermelho, Levan conduziu observações no infravermelho próximo e médio usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA – a sua primeira utilização para este tipo de estudo – bem como o Telescópio Espacial Hubble para detectar a supernova. “Se estiver lá, é muito fraco. Planejamos continuar procurando”, acrescentou ele, “mas é possível que a estrela inteira tenha colapsado diretamente no buraco negro em vez de explodir”. Observações adicionais do Webb e do Hubble estão planejadas para os próximos meses.
À medida que os jatos continuam a expandir-se para o material que rodeia a estrela condenada, produzem um brilho residual de múltiplos comprimentos de onda que gradualmente desaparece.
“Estando tão próxima e tão brilhante, esta explosão ofereceu-nos uma oportunidade sem precedentes de recolher observações do brilho residual em todo o espectro electromagnético e de testar até que ponto os nossos modelos reflectem bem o que realmente está acontecendo nos jatos GRB,” disse Kate Alexander, professora assistente no departamento de astronomia da Universidade do Arizona em Tucson. “Vinte e cinco anos de modelos de brilho que funcionaram muito bem não podem explicar completamente este jato”, disse ela. “Em particular, encontramos um novo componente de rádio que não entendemos totalmente. Isto pode indicar estrutura adicional dentro do jato ou sugerir a necessidade de revisar nossos modelos de como os jatos GRB interagem com o ambiente.”
Os jatos em si não eram excepcionalmente poderosos, mas eram excepcionalmente estreitos – muito parecidos com o jato de uma mangueira de jardim – e um deles estava apontado diretamente para nós, explicou Alexander. Quanto mais de frente vemos um jato, mais brilhante ele parece. Embora o brilho residual tenha sido inesperadamente fraco nas energias de rádio, é provável que o GRB 221009A permaneça detectável durante anos, proporcionando uma nova oportunidade para rastrear o ciclo de vida completo de um jato poderoso.
A explosão também permitiu aos astrônomos sondar nuvens de poeira distantes na nossa própria galáxia. À medida que os raios X viajavam em nossa direção, alguns deles refletiam nas camadas de poeira, criando “ecos de luz” estendidos da explosão inicial na forma de anéis de raios X que se expandiam a partir do local da explosão. O telescópio de raios X do Observatório Neil Gehrels Swift da NASA descobriu a presença de uma série de ecos. O acompanhamento detalhado realizado pelo telescópio XMM-Newton da ESA (Agência Espacial Europeia), juntamente com dados do Swift, revelou que estes anéis extraordinários foram produzidos por 21 nuvens de poeira distintas.
“A forma como as nuvens de poeira dispersam os raios X depende das suas distâncias, dos tamanhos dos grãos de poeira e das energias dos raios X,” explicou Sergio Campana, diretor de investigação do Observatório de Brera e do Instituto Nacional de Astrofísica em Merate, Itália. “Conseguimos usar os anéis para reconstruir parte da emissão imediata de raios X da explosão e determinar onde na nossa galáxia estão localizadas as nuvens de poeira.”
Crédito: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
GRB 221009A é apenas a sétima explosão de raios gama a exibir anéis de raios X e triplica o número visto anteriormente em torno de um. Os ecos vieram de poeira localizada entre 700 e 61 mil anos-luz de distância. Os ecos mais distantes – nítidos do outro lado da nossa galáxia, a Via Láctea – também estavam 4.600 anos-luz acima do plano central da galáxia, onde reside o sistema solar.
Por último, a explosão oferece uma oportunidade para explorar uma grande questão cósmica. “Pensamos nos buracos negros como coisas que tudo consomem, mas será que eles também devolvem energia ao universo?” perguntou Michela Negro, astrofísica da Universidade de Maryland, no condado de Baltimore, e do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt.
A sua equipe conseguiu sondar os anéis de poeira com o Imaging X-ray Polarimetry Explorer da NASA para vislumbrar como a emissão imediata foi organizada, o que pode fornecer informações sobre como os jatos se formam. Além disso, um pequeno grau de polarização observado na fase de pós-brilho confirma que vimos o jato quase diretamente de frente.
Juntamente com medições semelhantes que estão agora sendo estudadas por uma equipe que utiliza dados do observatório INTEGRAL da ESA, os cientistas dizem que pode ser possível provar que os jatos do BOAT foram alimentados pela energia de um campo magnético amplificado pela rotação do buraco negro. As previsões baseadas em tais modelos já explicaram com sucesso outros aspectos desta explosão.
Publicado em 15/04/2024 22h29
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