Duas erupções de raios gama de estrelas em explosão em galáxias distantes atingiram a Terra com os fótons de maior energia já detectados em uma dessas explosões. A chuva de partículas de luz revela como as chamadas explosões longas de raios gama – entre as explosões mais poderosas do universo – produzem esses fótons energéticos.
“Esta é a pedra de Rosetta das explosões de raios gama”, diz Tsvi Piran, astrofísico da Universidade Hebraica de Jerusalém que não participou da pesquisa.
Longas explosões de raios gama, ou GRBs, marcam a morte de uma estrela massiva à medida que explode e deixa para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. (GRBs curtos, por outro lado, acompanham colisões entre estrelas de nêutrons, como o esmagamento detectado por detectores de ondas gravitacionais em 2017.) Até agora, os fótons mais energéticos irradiando de um longo Uma GRB normalmente atingia alguns milhões de elétron-volts de energia, ou cerca de um milhão de vezes mais energético do que os fótons que nossos olhos detectam.
Esse registro foi esmagado. Em julho de 2018, o observatório HESS, a cerca de 100 quilômetros a sudoeste da capital namibiana de Windhoek, registrou fótons de um GRB com entre 100 bilhões e 440 bilhões de elétron-volts, 10 horas após a explosão inicial. Seis meses depois, em janeiro de 2019, os telescópios MAGIC gêmeos nas Ilhas Canárias de La Palma viram uma explosão diferente e capturaram fótons com impressionantes 1 trilhão de elétrons-volts de energia. O detentor do recorde anterior de um GRB era um único fóton com 94 bilhões de elétron-volts, detectado a partir de uma explosão de raios gama em 2013. As novas descobertas aparecem em três artigos publicados em 20 de novembro na Nature.
“Havia teorias prevendo que deveria haver [fótons de energia muito alta] dos GRBs, mas as coisas eram muito incertas”, diz Razmik Mirzoyan, astrofísico do Instituto Max Planck de Física em Munique, que liderou o estudo da explosão de 2019 . Essas teorias ofereciam explicações diferentes sobre como os campos magnéticos, elétrons e luz ambiente interagiam com os detritos de uma explosão de GRB para produzir raios gama. Para testar essas idéias, várias equipes vêm procurando raios gama de energia muito alta há anos, diz Mirzoyan. “Estávamos tentando por 15 anos, mas nunca conseguindo”.
Seu recente sucesso revela uma história de como os fótons GRB ganham tanto vigor. As ondas de choque da explosão aceleram os elétrons quase à velocidade da luz e geram campos magnéticos. Os elétrons giram em torno das linhas do campo magnético e emitem fótons de energia relativamente baixa. Esses fótons, juntamente com outros fótons que passam de outras galáxias, subsequentemente recebem um aumento de energia ricocheteando e roubando energia desses elétrons velozes. É este último passo, conhecido como espalhamento inverso de Compton, que fornece a alguns fótons GRB suas energias extremas.
“Essa teoria básica surgiu há mais de 20 anos, mas não havia provas”, diz Piran. “É tão maravilhoso que eles conseguiram.”
A descoberta foi ajudada pela relativa proximidade das duas explosões. A luz da explosão de 2018 levou cerca de 6 bilhões de anos para chegar à Terra; a explosão de 2019 precisou de aproximadamente 4,5 bilhões de anos. Enquanto isso coloca as duas explosões muito além de nossa vizinhança galáctica, elas estavam muito mais próximas que as GRBs típicos.
Anatomia de uma GRB
Os fótons extremos revelaram alguns boatos sobre os GRBs. Para que a dispersão inversa de Compton funcione, os fótons de baixa energia precisam de boas chances de colidir com elétrons. “Isso mostra que você tem um meio muito denso” em torno da explosão, diz Edna Ruiz-Velasco, astrofísica do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha, que estudou a explosão de 2018.
Parece também que os astrônomos estavam vendendo menos do que o preço de um GRB pode levar. Os GRBs emitem luz em todo o espectro eletromagnético – de ondas de rádio a raios gama – e a explosão de 2019 injetou tanta energia em seus fótons extremos quanto em seus mais numerosos raios-X, diz Mirzoyan. Isso aumenta a energia geral dos GRBs – já comparável a toda a produção de energia solar ao longo da vida – em cerca de um terço, diz ele.
Publicado em 22/11/2019
Artigo original: https://www.sciencenews.org/article/how-two-gamma-ray-bursts-created-record-breaking-high-energy-photons
Estudo publicado na Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1750-x.epdf (acesso livre apenas para meio acadêmico)
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