For 10 years, NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope has scanned the sky for gamma-ray bursts (GRBs), the universe’s most luminous explosions. A new catalog of the highest-energy blasts provides scientists with fresh insights into how they work.
Por 10 anos, o Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA examinou o céu em busca de explosões de raios gama (GRBs), as explosões mais luminosas do universo. Um novo catálogo de explosões de alta energia fornece aos cientistas novos insights sobre como eles funcionam.
“Cada explosão é de alguma forma única”, disse Magnus Axelsson, astrofísico da Universidade de Estocolmo, na Suécia. “É somente quando podemos estudar grandes amostras, como neste catálogo, que começamos a entender as características comuns dos GRBs. Estes, por sua vez, nos dão pistas sobre os mecanismos físicos no trabalho”.
O catálogo foi publicado na edição de 13 de junho do The Astrophysical Journal e agora está disponível online. Mais de 120 autores contribuíram para o artigo, liderado por Axelsson, Elisabetta Bissaldi no Instituto Nacional de Física Nuclear e Universidade Politécnica de Bari, na Itália, e Nicola Omodei e Giacomo Vianello na Universidade de Stanford, na Califórnia.
GRBs emitem raios gama, a forma de energia de maior energia. A maioria dos GRBs ocorre quando alguns tipos de estrelas massivas ficam sem combustível e colapsam para criar novos buracos negros. Outros acontecem quando duas estrelas de nêutrons, remanescentes superdensos de explosões estelares, se fundem. Ambos os tipos de eventos cataclísmicos criam jatos de partículas que se movem perto da velocidade da luz. Os raios gama são produzidos em colisões de material em movimento rápido dentro dos jatos e quando os jatos interagem com o ambiente ao redor da estrela.
Os astrônomos podem distinguir as duas classes de GRB pela duração de seus raios gama de baixa energia. Rajadas curtas de fusões de estrelas de nêutrons duram menos de 2 segundos, enquanto explosões longas normalmente duram um minuto ou mais. O novo catálogo, que inclui 17 explosões curtas e 169 longas, descreve 186 eventos vistos pelo Large Area Telescope (LAT) do Fermi nos últimos 10 anos.
Fermi observa essas rajadas poderosas usando dois instrumentos. O LAT vê cerca de um quinto do céu a qualquer momento e grava raios gama com energias acima de 30 milhões de elétron-volts (MeV) – milhões de vezes a energia da luz visível. O Monitor de Ruptura de Raios Gama (GBM) vê todo o céu que não está bloqueado pela Terra e detecta emissão de energia mais baixa. Tudo dito, o GBM detectou mais de 2.300 GRBs até o momento.
Abaixo está uma amostra de cinco eventos de registro e intrigantes do catálogo LAT que ajudaram os cientistas a aprender mais sobre os GRBs.
- GRB 081102B
O curto burst 081102B, que ocorreu na constelação de Boötes em 2 de novembro de 2008, é o mais breve GRB detectado pela LAT, durando apenas um décimo de segundo. Embora essa explosão tenha aparecido no primeiro ano de observações de Fermi, ela não foi incluída em uma versão anterior da coleção publicada em 2013.
“O primeiro catálogo da LAT identificou apenas 35 GRBs”, disse Bissaldi. “Graças à melhoria das técnicas de análise de dados, pudemos confirmar algumas das observações marginais nessa amostra, bem como identificar cinco vezes mais bursts para o novo catálogo.”
- GRB 160623A
A explosão de longa duração 160623A, localizada em 23 de junho de 2016, na constelação de Cygnus, continuou brilhando por quase 10 horas nas energias da LAT – a explosão mais longa do catálogo. Mas nas energias mais baixas registradas pelo instrumento GBM de Fermi, foi detectado por apenas 107 segundos. Essa grande diferença entre os instrumentos confirma uma tendência sugerida no primeiro catálogo da LAT. Tanto para rajadas longas como curtas, a emissão de raios gama de alta energia dura mais que a emissão de baixa energia e ocorre mais tarde.
- GRB 130427A
“Each burst is in some way unique,” said Magnus Axelsson, an astrophysicist at Stockholm University in Sweden. “It’s only when we can study large samples, as in this catalog, that we begin to understand the common features of GRBs. These in turn give us clues to the physical mechanisms at work.”
The catalog was published in the June 13 edition of The Astrophysical Journal and is now available online. More than 120 authors contributed to the paper, led by Axelsson, Elisabetta Bissaldi at the National Institute of Nuclear Physics and Polytechnic University in Bari, Italy, and Nicola Omodei and Giacomo Vianello at Stanford University in California.
GRBs emit gamma rays, the highest-energy form of light. Most GRBs occurs when some types of massive stars run out of fuel and collapse to create new black holes. Others happen when two neutron stars, superdense remnants of stellar explosions, merge. Both kinds of cataclysmic events create jets of particles that move near the speed of light. The gamma rays are produced in collisions of fast-moving material inside the jets and when the jets interact with the environment around the star.
Astronomers can distinguish the two GRB classes by the duration of their lower-energy gamma rays. Short bursts from neutron star mergers last less than 2 seconds, while long bursts typically continue for a minute or more. The new catalog, which includes 17 short and 169 long bursts, describes 186 events seen by Fermi’s Large Area Telescope (LAT) over the last 10 years.
Fermi observes these powerful bursts using two instruments. The LAT sees about one-fifth of the sky at any time and records gamma rays with energies above 30 million electron volts (MeV)—millions of times the energy of visible light. The Gamma-ray Burst Monitor (GBM) sees the entire sky that isn’t blocked by Earth and detects lower-energy emission. All told, the GBM has detected more than 2,300 GRBs so far.
Below is a sample of five record-setting and intriguing events from the LAT catalog that have helped scientists learn more about GRBs.
1. GRB 081102B
The short burst 081102B, which occurred in the constellation Boötes on Nov. 2, 2008, is the briefest LAT-detected GRB, lasting just one-tenth of a second. Although this burst appeared in Fermi’s first year of observations, it wasn’t included in an earlier version of the collection published in 2013.
“The first LAT catalog only identified 35 GRBs,” Bissaldi said. “Thanks to improved data analysis techniques, we were able to confirm some of the marginal observations in that sample, as well as identify five times as many bursts for the new catalog.”
2. GRB 160623A
Long-lived burst 160623A, spotted on June 23, 2016, in the constellation Cygnus, kept shining for almost 10 hours at LAT energies—the longest burst in the catalog. But at the lower energies recorded by Fermi’s GBM instrument, it was detected for only 107 seconds. This stark difference between the instruments confirms a trend hinted at in the first LAT catalog. For both long and short bursts, the high-energy gamma-ray emission lasts longer than the low-energy emission and happens later.
3. GRB 130427A
Esta animação mostra o tipo mais comum de explosão de raios gama, que ocorre quando o núcleo de uma estrela massiva entra em colapso, forma um buraco negro e explode jatos de partículas para fora quase à velocidade da luz. A visualização em um jato aumenta muito seu brilho aparente. Uma imagem de Fermi do GRB 130427A termina a sequência. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
O raio gama individual de maior energia detectado pelo LAT de Fermi atingiu 94 bilhões de elétron-volts (GeV) e viajou 3,8 bilhões de anos-luz a partir da constelação de Leão. Foi emitido por 130427A, que também detém o registro para a maioria dos raios gama – 17 – com energias acima de 10 GeV.
Um modelo popular propunha que partículas carregadas no jato, movendo-se quase à velocidade da luz, encontravam uma onda de choque e de repente mudavam de direção, emitindo raios gama como resultado. Mas esse modelo não pode explicar a luz recorde dessa explosão, forçando os cientistas a repensar suas teorias.
As descobertas originais do 130427A mostram que o instrumento LAT rastreou sua emissão pelo dobro do tempo indicado no catálogo. Devido ao grande tamanho da amostra, a equipe adotou a mesma análise padronizada para todos os GRBs, resultando em números ligeiramente diferentes dos relatados no estudo anterior.
- GRB 080916C
O mais conhecido GRB ocorreu há 12,2 bilhões de anos-luz de distância na constelação de Carina. Chamados de 080916C, os pesquisadores calculam que a explosão continha o poder de 9.000 supernovas.
Este filme mostra as observações do Telescópio de Grande Área Fermi do GRB 080916C. Cerca de 8 minutos de dados são compactados em 6 segundos. Pontos coloridos representam raios gama de diferentes energias. Os pontos azuis representam raios gama de baixa energia; energias verdes e moderadas; e vermelho, as energias mais altas. Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Colaboração
Os telescópios podem observar GRBs a essas grandes distâncias porque são muito brilhantes, mas é difícil identificar a distância exata deles. As distâncias são conhecidas apenas por 34 dos 186 eventos no novo catálogo.
- GRB 090510
A distância conhecida do 090510 ajudou a testar a teoria de Einstein de que o tecido do espaço-tempo é suave e contínuo. Fermi detectou raios gama de alta energia e baixa energia quase no mesmo instante. Tendo viajado a mesma distância na mesma quantidade de tempo, eles mostraram que toda a luz, não importa a sua energia, se move à mesma velocidade através do vácuo do espaço.
“A emissão total de raios gama de 090510 durou menos de 3 minutos, mas nos permitiu investigar essa questão fundamental sobre a física do nosso cosmos”, disse Omodei. “GRBs são realmente um dos eventos astronômicos mais espetaculares que testemunhamos.”
O que está a faltar?
O GRB 170817A marcou a primeira vez que a luz e ondulações no espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais, foram detectadas a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons. O evento foi capturado pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), pelo interferômetro de Virgo e pelo instrumento GBM de Fermi, mas não foi observado pela LAT porque o instrumento foi desligado quando a espaçonave passou por uma região da órbita de Fermi onde partícula a atividade é alta.
“Agora que o LIGO e Virgo iniciaram outro período de observação, a comunidade de astrofísica estará à procura de mais eventos conjuntos de onda gravitacional e GRB”, disse Judy Racusin, co-autora e cientista do projeto de Fermi no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt. Maryland. “Este catálogo foi um esforço monumental da equipe, e o resultado nos ajuda a aprender sobre a população desses eventos e nos prepara para investigar futuros achados inovadores”.
O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi é uma parceria de astrofísica e física de partículas gerenciada pelo Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. O Fermi foi desenvolvido em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, com contribuições importantes de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos.
Publicado em 13/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-fermi-mission-reveals-highest-energy-gamma-ray.html
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