Uma futura missão espacial chamada THESEUS poderia dar aos cosmologistas uma melhor compreensão do nosso universo primitivo.
Determinar a distância é um dos maiores desafios da astronomia. Para objetos próximos, os astrônomos confiam na paralaxe, que faz com que as estrelas próximas se desloquem contra o fundo aparentemente estacionário de estrelas mais distantes. Por mais de um século, os astrônomos contam com as chamadas velas padrão – objetos celestes com luminosidade absoluta conhecida – para calcular distâncias consideradas muito distantes para uma paralaxe confiável.
Os astrônomos primeiro usaram variáveis cefeidas – um tipo de estrela variável – como velas padrão para medir distâncias em toda a nossa galáxia e em muitas outras. Mais recentemente, os cosmologistas usaram supernovas do tipo Ia como velas padrão. As supernovas do tipo Ia são as explosões que ocorrem quando uma anã branca (o núcleo de uma estrela morta) retira o material de uma estrela companheira e fica muito pesada. Como existe um limite físico de quão massiva uma anã branca pode se tornar, essas explosões sempre ocorrem quando a estrela atinge uma determinada massa e, portanto, sempre têm o mesmo brilho. As explosões resultantes são tão luminosas e confiáveis que forneceram aos astrônomos medições precisas da expansão contínua do cosmos até precisões de 6 a 7%.
Isso é bastante preciso, mas não o suficiente para separar uma teoria da outra em alguns casos. Então, como os astrônomos podem reduzir essa incerteza pela metade?
Talvez usando rajadas de raios gama, ou GRBs.
Sobre as Explosões de raios gama – GRBs:
As GRBs estão entre os mais poderosos eventos de alta energia conhecidos no universo. Durante sua fase de curta duração e maior energia, durando entre alguns segundos e algumas horas, eles emitem a mesma quantidade de energia que o Sol libera ao longo de toda a sua vida útil. As emissões primárias de um GRB são fótons de alta energia, como raios gama e raios X de alta energia. Isso é seguido por emissões de pós-brilho GRB de longa duração que abrangem o espectro eletromagnético, de raios-X e óptico a infravermelho e às vezes até rádio.
Por serem muito enérgicos, os GRBs são fáceis de detectar a distâncias enormes, diz o astrônomo do Observatório Lowell Michael West. Mas os astrônomos ainda não sabem ao certo o que os causa. Eles acreditam que a maioria dos GRBs ocorre quando uma estrela massiva implode para criar um buraco negro, liberando enormes explosões de energia em raios intensos, diz ele.
Apesar de seu imenso brilho, “um grande desafio ao usar GRBs como velas padrão é que não existem dois iguais”, diz West. ?As curvas de luz GRB mostram uma diversidade extraordinária.? As explosões variam em comprimento, algumas durando muito mais do que outras. Alguns mostram vários picos de alta emissão, enquanto outros mostram apenas um, diz ele.
Tudo isso sugere que provavelmente há mais de um progenitor de GRB, da mesma maneira que existem vários tipos de supernovas, diz West. Esses possíveis progenitores incluem não apenas o colapso de estrelas massivas, mas também a fusão de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro, ou explosões potencialmente liberadas por magnetares – uma classe de estrelas de nêutrons altamente magnéticas.
Desafios adiante
Mas não é fácil corrigir essas variações de maneira confiável, para que os GRBs possam ser usados como velas padrão. Um problema ao tentar usar GRBs para ampliar nossa capacidade de medir objetos distantes é que os observatórios espaciais atuais só conseguem detectar as explosões mais luminosas nas maiores distâncias cósmicas.
Há também o problema de determinar a distância de um GRB em primeiro lugar. Atualmente, os astrônomos devem primeiro detectar as emissões de raios gama ou raios X de um GRB com um telescópio espacial. Então eles devem esperar que outro telescópio (geralmente no solo) possa medir seu espectro óptico ou infravermelho, ou espalhar a luz, para procurar sinais que afastem os astrônomos, diz Paul O’Brien, astrônomo da Universidade de Leicester em the UK Mas é preciso um telescópio grande para obter luz suficiente de um objeto para medir a distância dessa maneira, e muitos GRBs têm vida curta demais para permitir que os astrônomos tenham tempo de colocar um telescópio grande no local certo no céu. Somente os GRBs de maior duração podem ser acompanhados.
Devido a esse desafio, os astrônomos calcularam a distância para cerca de 30% dos GRBs encontrados pelo Observatório Neil Gehrels Swift da NASA, diz O’Brien. Para obter mais distâncias, diz O?Brien, idealmente precisamos localizar GRBs e acompanhar colocando seu espectro a bordo na mesma espaçonave. Isso eliminaria o atraso entre ver um GRB e obter as informações necessárias para medir sua distância.
Conheça THESEUS
A Agência Espacial Européia financiou um estudo inicial para um observatório espacial de alta energia apelidado de Céu Transiente de Alta Energia e Surveyor do Universo Inicial (THESEUS). Se totalmente financiado, o THESEUS seria lançado em 2032. O THESEUS deveria encontrar muitos GRBs distantes, determinando suas localizações precisas e suas distâncias, tudo sem precisar se basear em observações terrestres. A espaçonave levaria não apenas um detector de raios gama e raios X para detectar um GRB quando ocorrer, mas um telescópio infravermelho para observar imediatamente o mesmo local, obter um espectro e determinar a distância.
O THESEUS terá a capacidade de observar em um ano o mesmo número de GRBs que foram observados com o Swift em 10 anos, diz Maria Giovanna Dainotti, astrônoma da Universidade de Stanford e professora assistente da Universidade Jagiellonian, na Polônia.
E, observando não apenas os raios gama, mas também os raios X, diz O’Brien, os astrônomos encontrarão muitos outros objetos extremamente distantes. Isso ocorre porque, à medida que o universo se expande, a luz se estende, ou muda para vermelho, para diminuir os comprimentos de onda. Os raios gama de rajadas nas maiores distâncias são assim esticados para energias mais baixas, aparecendo como raios-X.
Um novo padrão?
O objetivo final dos astrônomos é encontrar uma maneira de tornar o GRBS “padronizável” da mesma forma que as supernovas do tipo Ia, diz Brad Cenko, astrônomo do Goddard Space Flight Center da NASA, em Maryland. Isso, ele diz, nos permitiria usá-los como velas padrão para medir a distâncias maiores do que é possível hoje os locais e movimentos das galáxias, revelando como o universo está se expandindo ao longo do tempo.
Além disso, quanto mais distante uma galáxia se encontra de nós, mais cedo na história do universo estamos olhando quando a observamos. Usando GRBs distantes como velas padrão, os astrônomos acreditam que poderíamos voltar aos tempos em torno de 500 a 1 bilhão de anos após o Big Bang – quando as primeiras galáxias estavam começando a se formar.
Estender velas padrão para distâncias maiores e olhar para trás no tempo também deve ajudar os astrônomos a resolver o mistério que envolve a energia escura – a força que está causando a aceleração da expansão do universo.
Como a contribuição da energia escura varia com o tempo, encontrar GRBs a distâncias maiores ajudaria os pesquisadores a entender melhor como a energia escura evoluiu ao longo do tempo cósmico. Mas o cerne dessa pesquisa depende de fazer os GRBs funcionarem como velas padrão.
Dainotti prevê que a pesquisa atual permitirá que os GRBs sejam usados como velas padrão nos próximos anos. O verdadeiro salto em frente será encontrar um subconjunto padrão de GRBs com propriedades comuns, diz ela, da mesma forma que as supernovas tipo Ia são um subconjunto de explosões de supernovas.
Mas Cenko permanece cético. O THESEUS deve ser ótimo para encontrar GRBs em alto desvio para o vermelho, diz ele, mas sem uma maneira de padronizar essas fontes, ele não será capaz de dizer muito sobre energia escura.
Os astrofísicos estudam GRBs há meio século, após sua descoberta acidental em 1969. Muito progresso foi feito no entendimento de suas origens, mas os esforços para usá-los como velas padrão progrediram lentamente. E muitos astrônomos não acreditam que os GRBs possam ser padronizados como ferramentas para medir distâncias cósmicas. Mas, graças aos esforços atuais, que incluem o desenvolvimento de observatórios como o THESEUS, há sinais de que esses eventos poderão algum dia se tornar um degrau em nossa escada de distância cósmica.
Publicado em 27/06/2020 04h49
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