Explosão cósmica épica detectada através de partículas mais rápidas que a luz

A dish-type telescope, at night, beneath a cascade of bright blue radiation. — Telescópios especializados – como o H.E.S.S. na Namíbia e MAGIC nas Ilhas Canárias – detectam a luz azulada de Cherenkov na atmosfera da Terra, gerada por partículas mais rápidas que a luz, causadas por raios gama cósmicos. Imagem via DESY Science Communication Lab.

Em 14 de janeiro de 2019, dois observatórios espaciais da NASA – Swift e Fermi – detectaram uma explosão de raios gama de uma fonte a bilhões de anos-luz de distância. Isso não é incomum por si só; esses telescópios espaciais detectam rajadas de raios gama uma vez por dia, enviando rotineiramente alertas automáticos para outros observatórios de raios gama em todo o mundo. Mas essa explosão – denominada GRB 190114C – foi diferente. Tornou-se o mais poderoso já detectado por um telescópio especializado na superfície da Terra, onde os cientistas registraram os raios gama de mais alta energia já medidos em uma explosão de raios gama, atingindo cerca de 100 bilhões de vezes mais energia que a luz visível. O telescópio MAGIC nas Ilhas Canárias conseguiu apontar a região de origem tão rapidamente que começou a observar o evento em apenas 57 segundos das observações espaciais. Seus cientistas apresentaram suas observações na semana passada (20 de novembro de 2019) em dois estudos independentes na revista Nature.

Na mesma edição da Nature, os cientistas apresentaram um estudo de um GRB 180720B rotulado anteriormente por explosão de raios gama – não tão forte, mas também detectado no solo pelo H.E.S.S. telescópio na Namíbia em 20 de julho de 2018. Leia uma visão geral dos três estudos da Nature aqui .

Essas duas detecções terrestres – de janeiro de 2019 a julho de 2018 – são as primeiras detecções de explosões de raios gama com telescópios terrestres de raios gama. Eles vêm depois de muitos anos e tentativas de pegar esses eventos.

O poder dessas explosões cósmicas é incompreensível. Mas a detecção deles também é fascinante. O H.E.S.S. baseado em terra e os telescópios MAGIC não detectaram os raios gama diretamente. Eles detectaram seu efeito na atmosfera da Terra, via partículas mais rápidas que a luz, conhecidas como radiação Cherenkov. O Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) – um centro nacional de pesquisa na Alemanha que opera aceleradores de partículas e que também desempenha um papel na operação de ambos os E.U.A. e MAGIC – explicados em uma declaração:

“Quando um raio gama cósmico energético atinge a atmosfera da Terra, destrói moléculas e átomos. Esse processo cria uma avalanche de partículas chamada chuveiro de ar. As partículas do chuveiro são tão enérgicas que se movem mais rápido no ar do que na luz – embora não sejam mais rápidas que a luz no vácuo, o que, de acordo com a teoria da relatividade de Albert Einstein, é o limite absoluto de velocidade superior. O resultado é um brilho azulado, uma espécie de contraparte óptica do estrondo supersônico. Esta luz de Cherenkov, nomeada após seu descobridor, pode ser observada por telescópios de Cherenkov, como os do E.S.A. e observatórios MAGIC…”

O Telescópio Espacial Hubble capturou o brilho esmaecido do GRB 190114C e sua galáxia natal em 11 de fevereiro e 12 de março de 2019. A diferença entre essas imagens revela um brilho fraco e de curta duração (centro do círculo verde) localizado a cerca de 800 anos-luz do núcleo da galáxia. As cores azuis além do núcleo sinalizam a presença de estrelas jovens e quentes, indicando que esta é uma galáxia espiral algo semelhante à nossa. A fonte da explosão está localizada a cerca de 4,5 bilhões de anos-luz de distância, na direção da constelação de Fornax. Imagem via NASA / ESA / V. Acciari et al./ICRAR.

As explosões de raios gama – chamadas GRBs pelos cientistas – são repentinas e curtas explosões de radiação gama do cosmos. Eles foram descobertos por acaso no final da década de 1960 por satélites usados ??para monitorar a conformidade com a proibição de testes nucleares na Terra. Pensa-se que essas explosões se originam da colisão de estrelas de nêutrons ou explosões de supernovas. David Berge, chefe de astronomia de raios gama da DESY, disse:

As explosões de raios gama são as explosões mais poderosas conhecidas no universo e normalmente liberam mais energia em apenas alguns segundos do que o nosso sol durante toda a sua vida – elas podem brilhar em quase todo o universo visível.

Desde a década de 1960, os astrônomos estudam explosões de raios gama com satélites. A atmosfera da Terra absorve raios gama; Os telescópios terrestres não conseguem detectar raios gama cósmicos diretamente. Telescópios como H.E.S.S. e o MAGIC são projetados para detectar um leve brilho azul na atmosfera – luz Cherenkov – induzida por raios gama cósmicos.

A detecção dessas duas explosões recentes de raios gama por esses observatórios terrestres foi o culminar de anos de esforço dos astrônomos.

O que são explosões de raios gama? São explosões cósmicas, com radiação de até um trilhão de vezes a energia da luz visível. Esta ilustração mostra a configuração do tipo mais comum de explosão de raios gama. O núcleo de uma estrela massiva (esquerda) entrou em colapso e formou um buraco negro. Esse “motor” aciona um jato de partículas que se move através da estrela em colapso e sai para o espaço quase à velocidade da luz. A emissão imediata, que normalmente dura um minuto ou menos, pode surgir da interação do jato com o gás perto do buraco negro do recém-nascido e de colisões entre as conchas de gás em movimento rápido dentro do jato (ondas de choque internas). A emissão pós-brilho ocorre quando a borda principal do jato varre seus arredores (criando uma onda de choque externa) e emite radiação por todo o espectro por algum tempo – meses a anos, no caso de rádio e luz visível, e muitas horas no ar. energias de raios gama mais altas já observadas. Estes excedem em muito os 100 bilhões de elétron-volts (GeV) para dois GRBs recentes. Imagem via Goddard Space Flight Center da NASA / ICRAR.

Uma razão para o resultado ser alcançado foi que – quando observatórios espaciais detectam uma explosão de raios gama – eles rapidamente alertam toda a comunidade observacional. No caso do busto de raios gama em janeiro de 2019, mais de 20 telescópios diferentes foram capazes de obter uma visão mais profunda da fonte da explosão. DESY disse:

“Isso permitiu que eles identificassem os detalhes do mecanismo físico responsável pela emissão de energia mais alta, conforme descrito no segundo artigo liderado pela colaboração do MAGIC. As observações de acompanhamento colocaram o GRB 190114C a uma distância de mais de quatro bilhões de anos-luz. Isso significa que sua luz viajou mais de quatro bilhões de anos para nós, ou cerca de um terço da era atual do universo.“

O GRB 180720B, a uma distância de seis bilhões de anos-luz ainda mais longe, ainda podia ser detectado em raios gama com energias entre 100 e 440 bilhões de elétron-volts por muito tempo após a explosão inicial.

O teórico do DESY, Andrew Taylor, que contribuiu para o H.E.S.S. análise, comentou:

“A detecção foi bastante inesperada, pois as explosões de raios gama estão desaparecendo rapidamente, deixando para trás um brilho posterior que pode ser visto por horas ou dias em vários comprimentos de onda do rádio aos raios X, mas nunca havia sido detectado em raios gama de energia muito alta antes.“

Esse sucesso também se deve a uma estratégia aprimorada de acompanhamento, na qual também nos concentramos nas observações posteriormente, após o colapso real da estrela.

Concepção artísticasta da explosão de raios gama de 14 de janeiro de 2019, capturada pelo observatório MAGIC nas Ilhas Canárias. Imagem C. Righi / ICRAR.

Conclusão: em 14 de janeiro de 2019, observatórios espaciais detectaram uma explosão violenta em uma galáxia a bilhões de anos-luz de distância. O GRB 190114C se tornou a fonte mais brilhante de raios gama cósmicos de alta energia vistos até agora. O telescópio MAGIC nas Ilhas Canárias foi capaz de detectá-lo através da radiação Cherenkov mais rápida que a luz em cascata na atmosfera da Terra. Esta observação – combinada com uma observação semelhante de outra explosão de raios gama, GRB 180720B, de julho de 2018 – foi o culminar com sucesso de anos de esforço por astrônomos.

Publicado em 29/11/2019

Artigos originais: https://earthsky.org/space/jan-14-2019-gamma-ray-burst-brightest-so-far e https://www.nature.com/articles/d41586-019-03503-6