Além dos buracos negros, os magnetares podem ser as estrelas mais extremas do universo. Com um diâmetro menor que o comprimento de Manhattan, eles acumulam mais massa do que o nosso Sol, exercem o maior campo magnético de qualquer objeto conhecido – mais de 10 trilhões de vezes mais forte do que um ímã de geladeira – e giram em seus eixos a cada poucos segundos.
Um tipo de estrela de nêutrons – remanescente de uma explosão de supernova – os magnetares são tão altamente magnetizados que mesmo modestas perturbações no campo magnético podem causar rajadas de raios X que duram esporadicamente por semanas ou meses.
Acredita-se que essas estrelas exóticas e compactas também sejam a fonte de alguns tipos de explosões curtas de raios gama (GRBs): flashes brilhantes de radiação altamente energética que intrigam os astrônomos desde que foram detectados pela primeira vez na década de 1970. Várias dessas chamas magnetares gigantes foram detectadas na Via Láctea. Mas como são tão intensos que saturam os detectores e as observações dentro da galáxia são obscurecidas pela poeira, o cientista espacial Kevin Hurley da Universidade da Califórnia, Berkeley, e uma equipe internacional de astrônomos têm procurado essas mesmas explosões em galáxias fora de nossa própria para uma visão mais clara.
Esse esforço de 45 anos está valendo a pena. Uma curta explosão de raios gama detectada em 15 de abril de uma galáxia a 11,4 milhões de anos-luz de distância mostra uma assinatura clara que Hurley acredita que poderia ajudar os astrônomos a encontrar explosões magnetares mais facilmente e, finalmente, reunir os dados necessários para verificar as muitas teorias que explicam os magnetares e seus raios gama flares.
“Temos o que acreditamos ser quatro detecções sólidas desde 1979 de explosões magnetares extragalácticas gigantes, duas delas quase idênticas de galáxias diferentes”, disse Hurley, um pesquisador espacial sênior do Laboratório de Ciências Espaciais da UC Berkeley. ?Isso nos leva a acreditar que pode haver uma espécie de modelo emergente que nos ajudará a identificá-los mais rapidamente no futuro. Minha esperança é que o ritmo acelere agora porque sabemos muito melhor o que estamos procurando. ”
Hurley e três colegas irão relatar a descoberta de GRB por vários satélites americanos e europeus e suas implicações em uma coletiva de imprensa na quarta-feira, 13 de janeiro, no encontro anual da American Astronomical Society e em três artigos publicados simultaneamente nas revistas Nature e Nature Astronomia.
Explosões magnéticas gigantes
GRBs, as explosões mais poderosas do cosmos, podem ser detectadas em bilhões de anos-luz. A maioria das que duram menos de dois segundos, chamadas GRBs curtas, ocorrem quando um par de estrelas de nêutrons em órbita espiralam uma para a outra e se fundem. Os astrônomos confirmaram este cenário para pelo menos alguns GRBs curtos em 2017, quando uma explosão seguiu a chegada de ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – produzidas quando estrelas de nêutrons se fundiram a 130 milhões de anos-luz de distância.
Mas nem todos os GRBs curtos se encaixam no perfil de fusão de estrelas de nêutrons, disse Hurley. Especificamente, dos 29 magnetares dentro de nossa Galáxia da Via Láctea conhecidos por exibir atividades ocasionais de raios-X, dois produziram chamas gigantes que são diferentes das explosões dessas fusões.
A mais recente dessas detecções foi em 27 de dezembro de 2004, um evento que produziu mudanças mensuráveis na parte superior da atmosfera da Terra, apesar da erupção de um magnetar localizado a cerca de 28.000 anos-luz de distância.
Desde o final dos anos 1970, Hurley tem operado a Rede InterPlanetária (IPN), um esforço 24 horas por dia, 7 dias por semana para explorar dados de muitas espaçonaves – atualmente cinco, capturando cerca de 325 rajadas gama por ano – na esperança de encontrar mais chamas magnetares gigantes. Essa rede foi fundamental para capturar o flare de 15 de abril de 2020.
Pouco antes das 4:42 am EDT daquela quarta-feira, uma breve e poderosa explosão de raios-X e raios gama passou por Marte, disparando o Detector Russo de Nêutrons de Alta Energia a bordo da espaçonave Mars Odyssey da NASA, que está orbitando o planeta desde 2001. Sobre 6,6 minutos depois, a explosão acionou o instrumento russo Konus a bordo do satélite Wind da NASA, que orbita um ponto entre a Terra e o Sol localizado a cerca de 930.000 milhas (1,5 milhão de quilômetros) de distância. Após outros 4,5 segundos, a radiação passou pela Terra, disparando instrumentos no Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA e no satélite INTEGRAL da Agência Espacial Européia.
A análise dos dados do Burst Alert Telescope (BAT) do Neil Gehrels Swift Observatory da NASA forneceu informações adicionais sobre o evento.
Esses dados mostraram que o pulso de radiação durou apenas 140 milissegundos, um piscar de olhos.
Hurley e Dmitry Svinkin do Instituto Ioffe da Rússia, um membro da equipe IPN, usaram os tempos de chegada medidos pelas missões Fermi, Swift, Wind, Mars Odyssey e INTEGRAL para identificar a localização da explosão de 15 de abril, chamada GRB 200415A, diretamente em a região central de NGC 253, uma galáxia espiral brilhante localizada a cerca de 11,4 milhões de anos-luz de distância na constelação de Escultor. Esta é a posição mais precisa do céu já determinada para um magnetar localizado além da Grande Nuvem de Magalhães, um satélite de nossa galáxia e hospedeiro em 1979 para a primeira explosão gigante já detectada.
“Este foi o magnetar localizado com mais precisão fora de nossa galáxia até agora, e realmente o localizamos agora, não apenas em uma galáxia, mas em uma parte de uma galáxia onde esperamos que a formação de estrelas esteja ocorrendo e as estrelas estejam explodindo . É onde as supernovas deveriam estar e os magnetares também “, disse Hurley. “O evento de 15 de abril é uma virada de jogo.”
Flashes de um farol
As labaredas gigantes vistas na Via Láctea parecem um pouco diferentes daquelas das galáxias próximas por causa da distância. Astrônomos documentaram que chamas gigantes de magnetares na Via Láctea e seus satélites evoluem de uma maneira distinta, com um rápido aumento para o brilho máximo seguido por uma cauda mais gradual de emissão flutuante. Essas variações resultam da rotação do magnetar, que repetidamente traz a localização do flare dentro e fora da vista da Terra, como um farol.
Observar essa cauda flutuante é uma evidência conclusiva de um sinalizador gigante – uma arma fumegante, disse Hurley. Para chamas magnetares a milhões de anos-luz de distância, no entanto, essa emissão é muito fraca para ser detectada com os instrumentos atuais. Por esta razão, chamas gigantes em nossa vizinhança galáctica podem ser confundidas com GRBs do tipo fusão mais distantes e poderosos.
As novas observações revelam pulsos múltiplos, com o primeiro aparecendo em apenas 77 microssegundos – cerca de 13 vezes a velocidade do flash de uma câmera e quase 100 vezes mais rápido do que o aumento dos GRBs mais rápidos produzidos por fusões.
“A combinação do tempo de subida e tempo de decadência, pensamos, pode estar nos mostrando um modelo, porque já o vimos antes – vimos em 2005, com outro evento, quase a cópia de carbono. E o espectro de energia do dois também eram semelhantes “, disse Hurley.
O Gamma-ray Burst Monitor da Fermi também detectou variações rápidas na energia ao longo do flare que nunca foram observadas antes.
“Flares gigantes dentro de nossa galáxia são tão brilhantes que sobrecarregam nossos instrumentos, deixando-os pendurados em seus segredos”, disse Oliver Roberts, um cientista associado do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universities Space Research Association em Huntsville, Alabama, que liderou o estudo de Dados de Fermi. “Pela primeira vez, o GRB 200415A e flares distantes como ele permitem que nossos instrumentos capturem todos os recursos e explorem essas erupções poderosas em profundidade incomparável.”
Starquakes e reconexão do campo magnético
Flares gigantes são mal compreendidos, mas os astrônomos acham que resultam de um rearranjo repentino do campo magnético do magnetar. Uma possibilidade é que o campo muito acima da superfície se torne muito torcido, liberando energia repentinamente à medida que se estabelece em uma configuração mais estável. Uma falha mecânica da crosta do magnetar – um terremoto – pode desencadear a reconfiguração repentina.
“A ideia é que você tenha esse campo magnético super forte saindo da estrela, mas ancorado na crosta, e o campo magnético pode se torcer, exercendo pressão sobre a crosta. A crosta tem um limite elástico, e depois que você ultrapassa esse limite elástico , ele se quebra. Então, essa rachadura envia ondas para o campo magnético, e essas ondas interrompem o campo, e você pode obter reconexão e liberação de energia e raios gama “, disse Hurley.
Roberts e seus colegas dizem que os dados mostram algumas evidências de vibrações sísmicas durante a erupção. Os pesquisadores dizem que essa emissão surgiu de uma nuvem de elétrons e pósitrons ejetados se movendo a cerca de 99% da velocidade da luz. A curta duração da emissão e sua mudança de brilho e energia refletem a rotação do magnetar, subindo e descendo como os faróis de um carro fazendo uma curva. Roberts o descreve como começando como uma bolha opaca – ele o imagina como um torpedo de fótons da franquia “Jornada nas Estrelas” – que se expande e se espalha à medida que viaja.
O torpedo também é uma das maiores surpresas do evento. Os raios-X de mais alta energia registrados pelo Gamma-Burst Monitor atingiram 3 milhões de elétron-volts (MeV), ou cerca de 1 milhão de vezes a energia da luz azul. O principal instrumento do satélite, o Large Area Telescope (LAT), também detectou três raios gama com energias de 480 MeV, 1,3 bilhão de elétron-volts (GeV) e 1,7 GeV – a luz de maior energia já detectada em uma explosão magnetar gigante. O que é surpreendente é que todos esses raios gama apareceram muito depois que o brilho diminuiu em outros instrumentos.
Nicola Omodei, um cientista pesquisador sênior da Universidade de Stanford, liderou a equipe do LAT na investigação desses raios gama, que chegaram entre 19 segundos e 4,7 minutos após o evento principal. Os cientistas concluíram que esse sinal provavelmente também veio do clarão magnetar.
Um magnetar produz um fluxo constante de partículas que se movem rapidamente. À medida que essas partículas se movem pelo espaço, elas penetram, desaceleram e desviam o gás interestelar. O gás se acumula, torna-se aquecido e comprimido e forma um tipo de onda de choque chamada de choque de proa, como as ondulações na frente de um barco em movimento.
No modelo proposto pela equipe do LAT, o pulso inicial de raios gama do flare viaja para fora na velocidade da luz, seguido pela nuvem de matéria ejetada, que está se movendo quase na mesma velocidade. Depois de vários dias, os dois atingem o choque do arco. Os raios gama passam. Segundos depois, a nuvem de partículas – agora expandida em uma vasta e fina concha – colide com o gás acumulado no choque de proa. Essa interação cria ondas de choque que aceleram as partículas, produzindo os raios gama de mais alta energia após a explosão principal.
O incêndio de 15 de abril prova que os eventos de 2020 e 2004 constituem sua própria classe de GRBs, disse Hurley.
“Alguns por cento de GRBs curtos podem realmente ser chamas gigantes magnetar”, disse Eric Burns, professor assistente de física e astronomia na Louisiana State University em Baton Rouge que conduziu um estudo que identificou suspeitos magnetar extragalácticos adicionais. “Na verdade, podem ser as explosões de alta energia mais comuns que detectamos além de nossa galáxia – cerca de cinco vezes mais freqüentes do que as supernovas.”
Embora rajadas perto da galáxia M81 em 2005 e da galáxia de Andrômeda (M31) em 2007 já tivessem sido sugeridas como chamas gigantes, sua equipe identificou um sinalizador recentemente relatado em M83, também visto em 2007. Adicione a estes o sinalizador gigante de 1979 e aqueles observados em nossa Via Láctea em 1998 e 2004.
“É uma pequena amostra, mas agora temos uma ideia melhor de suas verdadeiras energias e até onde podemos detectá-las”, disse Burns, cujo estudo aparecerá ainda este ano no The Astrophysical Journal Letters.
Publicado em 15/01/2021 21h43
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