Em julho de 1967, no auge da Guerra Fria, os satélites americanos lançados para procurar testes de armas nucleares soviéticas encontraram algo totalmente inesperado. Os satélites Vela 3 e 4 observaram breves flashes de fótons de alta energia, ou raios gama, que pareciam vir do espaço. Mais tarde, em um artigo de 1973 que compilou mais de uma dúzia desses eventos misteriosos, os astrônomos os chamariam de explosões de raios gama. “Desde então, temos tentado entender o que são essas explosões”, disse Andrew Taylor, um físico do Síncrotron Eletrônico Alemão (DESY) em Hamburgo.
Após a descoberta inicial, os astrônomos debateram de onde vinham essas explosões de radiação gama – uma pista crítica para o que os está alimentando. Alguns pensaram que essas fontes brilhantes deviam estar próximas, em nosso sistema solar. Outros argumentaram que estão em nossa galáxia, outros ainda no cosmos além. Teorias abundaram; dados não.
Então, em 1997, um satélite italiano e holandês chamado BeppoSAX confirmou que as explosões de raios gama eram extragaláticas, em alguns casos originando muitos bilhões de anos-luz de distância.
Essa descoberta foi desconcertante. Para explicar o quão brilhantes esses objetos eram – mesmo quando os observavam de tais distâncias – os astrônomos perceberam que os eventos que os causaram devem ser quase inimaginavelmente poderosos. “Achamos que não havia como obter essa quantidade de energia em uma explosão de qualquer objeto no universo”, disse Sylvia Zhu, astrofísica do DESY.
Uma explosão de raios gama emitirá a mesma quantidade de energia que uma supernova, causada quando uma estrela colapsa e explode, mas em segundos ou minutos, em vez de semanas. Suas luminosidades de pico podem ser 100 bilhões de bilhões de vezes a de nosso sol e um bilhão de vezes mais do que até mesmo as supernovas mais brilhantes.
Foi uma sorte que estivessem tão longe. “Se houvesse uma explosão de raios gama em nossa galáxia com um jato apontado para nós, a melhor coisa que você poderia esperar é uma extinção rápida”, disse Zhu. “Você esperaria que a radiação destruísse o ozônio e imediatamente fritasse tudo até a morte. Como o pior cenário é se estiver mais longe, pode fazer com que parte do nitrogênio e do oxigênio da atmosfera se transforme em dióxido de nitrogênio. A atmosfera ficaria marrom. Seria uma morte lenta.”
As explosões de raios gama vêm em dois sabores, longas e curtas. Acredita-se que o primeiro, que pode durar vários minutos ou mais, resulte de estrelas com mais de 20 vezes a massa do nosso Sol colapsando em buracos negros e explodindo como supernovas. Os últimos, que duram apenas cerca de um segundo, são causados por duas estrelas de nêutrons que se fundem (ou talvez uma estrela de nêutrons se fundindo com um buraco negro), o que foi confirmado em 2017 quando observatórios de ondas gravitacionais detectaram uma fusão de estrelas de nêutrons e Fermi da NASA O Telescópio Espacial de Raios Gama capturou a explosão de raios gama associada.
Em cada caso, a explosão de raios gama não vem da própria explosão. Em vez disso, vem de um jato que se move a uma fração abaixo da velocidade da luz e é disparado pela explosão em direções opostas. (O mecanismo exato que aciona o jato continua sendo uma “questão muito fundamental”, disse Zhu.)
“É essa combinação de velocidade em alta energia e foco em um jato que os torna extremamente luminosos”, disse Nial Tanvir, astrônomo da Universidade de Leicester, na Inglaterra. “Isso significa que podemos vê-los muito longe.” Em média, acredita-se que haja uma explosão de raios gama observável no universo visível todos os dias.
Até recentemente, a única maneira de estudar as explosões de raios gama era observá-los do espaço, já que a camada de ozônio da Terra bloqueia os raios gama de alcançar a superfície. Mas, à medida que os raios gama entram em nossa atmosfera, eles se chocam com outras partículas. Essas partículas são empurradas mais rápido do que a velocidade da luz no ar, o que as leva a emitir um brilho azul conhecido como radiação Cherenkov. Os cientistas podem então procurar por essas explosões de luz azul.
Como nossa atmosfera tem uma área de coleta muito maior do que um único telescópio, essa estratégia de busca dá aos astrofísicos uma chance maior de encontrar as explosões de raios gama de mais alta energia, que são raras e difíceis de detectar.
A primeira observação de tal explosão de energia ultra-alta foi feita em julho de 2018 por um conjunto de antenas na Namíbia chamado Sistema Estereoscópico de Alta Energia (HESS). A radiação não veio da própria explosão inicial de raios gama, mas de um efeito chamado pós-luminescência. Neste caso, o jato da explosão de raios gama colidiu com o material expelido da estrela conforme ela se transformava em supernova. A colisão acelerou as partículas a altas velocidades, produzindo radiação eletromagnética que então chegou à Terra.
Agora, em um artigo publicado no início deste mês na revista Science, Taylor, Zhu e colegas observaram o mais longo pós-luminescência de alta energia de uma explosão de raios gama, usando HESS para estudar GRB 190829A – a uma distância relativamente próxima de 1 bilhão de luz -anos – por 56 horas. Eles descobriram que energias mais altas persistiram mais de cinco vezes mais do que o resultado em 2018. “Este é basicamente um resultado revolucionário”, disse Brian Reville, um físico do Instituto Max Planck de Física Nuclear na Alemanha que não era o autor do estudo . “Detectar fótons de raios gama de energia muito alta até três noites após a [explosão] é realmente incrível.” A descoberta levanta questões sobre nosso modelo bastante simplista de como as explosões de raios gama são produzidas, sugerindo que uma física mais complexa pode estar em jogo. “Se isso de repente receber pontos de interrogação, então é realmente emocionante”, disse Reville.
Explosões de raios gama e seus resplendores também podem desempenhar um papel importante em nossa compreensão do universo. Acredita-se que as fusões de supernovas e estrelas de nêutrons produzam os elementos pesados do universo, como ouro e platina. Como as explosões fornecem uma janela para os destroços após esses eventos, os cientistas podem usá-los para rastrear como a composição química do universo mudou ao longo do tempo cósmico.
Futuros instrumentos como o Cherenkov Telescope Array, programado para entrar em operação em 2023, poderiam estudar essas explosões enigmáticas com ainda mais detalhes. “A próxima [etapa] é sondar as explosões de raios gama em escalas de tempo muito longas”, disse Taylor. “Como [a emissão] muda ao longo do tempo nos diz a física ocorrendo.”
Os cientistas também esperam esclarecer se o objeto produzido no centro de uma explosão de raios gama é um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. “Pode ser possível descobrir isso na próxima geração de detectores de ondas gravitacionais”, disse Zhu.
Meio século após sua descoberta acidental, estamos agora começando a estudar esses eventos como nunca antes. “Estamos aprendendo muito rapidamente”, disse Taylor, “e o que aprendemos nos últimos 20 anos não mostrou nenhuma evidência de nos impedir de ser surpreendidos”.
Publicado em 01/07/2021 00h18
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