Mistérios espaciais: uma rápida explosão de rádio foi detectada em nossa galáxia pela primeira vez. Podemos estar mais perto de descobrir sua origem.
Em 28 de abril de 2020, dois radiotelescópios baseados em terra detectaram um pulso intenso de ondas de rádio. Durou apenas um milissegundo, mas, para os astrônomos espantados, foi uma grande descoberta, representando a primeira vez que uma explosão rápida de rádio (FRB) foi detectada tão perto da Terra.
Localizado a apenas 30.000 anos-luz de nosso planeta, o evento ocorreu firmemente dentro da Via Láctea e foi, para todos os efeitos, quase impossível de perder. O Experimento Canadense de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio (CHIME) e a Pesquisa de Emissão de Rádio Astronômica Transiente 2 (STARE2) certamente não tiveram problemas para captá-lo. “O CHIME nem estava olhando na direção certa e ainda vimos alto e bom som em nossa visão periférica”, disse Kiyoshi Masui, professor assistente de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “STARE2 também viu, e é apenas um conjunto de algumas antenas de rádio literalmente feitas de formas de bolo.”
Até aquele ponto, todos os FRBs foram observados fora de nossa galáxia. “Eles estiveram a bilhões de anos-luz de distância, tornando-os muito mais difíceis de estudar”, disse a candidata ao doutorado em física Pragya Chawla da Universidade McGill, no Canadá. A descoberta de abril de 2020 também foi notável por ser a explosão de rádio mais enérgica que os astrônomos já registraram na Via Láctea, mas o que a tornou mais emocionante é que os cientistas agora estão mais perto de determinar a origem dos FRBs do que em qualquer momento desde que foram descobertos.
Isso aconteceu em 2007, quando Duncan Lorimer e David Narkevic estudavam dados coletados pela antena parkes na Austrália. Descobrir um FRB tão perto de casa tem sido a descoberta que os astrônomos desejam desde então. “Podemos aprender mais com uma fonte que está a 30.000 anos-luz de distância do que com uma que está a um bilhão ou mais de anos-luz”, afirma Masui. “Finalmente temos uma fonte próxima para estudar.”
Um dos maiores problemas com a detecção de FRBs, além de muitos deles estarem tão distantes, é que eles são tão passageiros. Eles surgiram e desapareceram em um piscar de olhos, apesar de serem 100 milhões de vezes mais poderosos que o sol – eles podem liberar tanta energia em alguns milésimos de segundo quanto o sol em 100 anos. Idealmente, os astrônomos descobririam um objeto e focalizariam um ou mais telescópios diferentes nele, mas a natureza efêmera dessas explosões remove qualquer oportunidade.
Mas, apesar desses desafios, os astrônomos conseguiram construir um banco de conhecimento sobre FRBs, a maior parte do qual foi baseado em dezenas de eventos registrados além de nossa própria galáxia. Para começar, sabemos que são flashes brilhantes de luz de rádio com duração de microssegundos a milissegundos. “As buscas em todo o céu por eles também sugerem que milhares dessas explosões ocorrem no céu todos os dias”, acrescentou Chawla.
Também sabemos que a maioria deles vem de bilhões de anos-luz de distância. Mas, embora dezenas de modelos tenham sido propostos para explicar as origens dos FRBs – com progenitores variando de estrelas de nêutrons a anãs brancas e cordas cósmicas – alguma teoria realmente prevaleceu? “Bem, sabemos que eles vêm de fontes muito pequenas – não mais do que algumas centenas de quilômetros de tamanho”, disse Masui. “E as fontes mais prováveis são estrelas de nêutrons, uma vez que são muito pequenas e muito energéticas.”
O FRB descoberto na Via Láctea agora está ajudando os astrônomos a firmar tais teorias, e se tornou uma espécie de avanço para os cientistas que tentam chegar ao fundo do que está causando isso.
Graças a algum trabalho de detetive cósmico bacana envolvendo os dados de outros telescópios monitorando o mesmo pedaço de céu, evidências observacionais agora sugerem que a origem dos FRBs é muito provavelmente um magnetar, um tipo de estrela de nêutrons jovem nascida das brasas de supernovas com um campo magnético 5.000 trilhões de vezes mais poderoso que o da Terra, tornando-os assim os ímãs mais poderosos do universo.
Mas como essa conclusão foi tirada? Para explicar, devemos considerar o trabalho desenvolvido no estudo de FRBs em relação aos magnetares, que são conhecidos por emitir radiação eletromagnética de alta energia, notadamente os raios gama e os raios-X. Ambos irrompem em chamas de curta duração e tem havido especulação de que ondas de rádio podem ser emitidas em tal processo que apontaria magnetares como a fonte de FRBs.
Quando este último FRB foi descoberto em nossa galáxia – conhecido pelos astrônomos como FRB 200428 – descobriu-se que se originou na constelação de Vulpecula, que por acaso é onde o magnetar galáctico SGR 1935 + 2154 está localizado. Também foi acompanhado por uma explosão de raios-X que excitou ainda mais os astrônomos.
A primeira detecção de raios-X daquela região do céu veio um dia antes de CHIME e STARE2 descobrirem o FRB 200428. O Observatório Neil Gehrels Swift e o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray detectaram múltiplas explosões de raios-X e raios gama provenientes de SGR 1935+ 2154, que era conhecido por exibir pulsações de rádio transitórias.
Outros telescópios também observaram uma explosão de raios-X do SGR 1935 + 2154 – crucialmente, ao mesmo tempo que a rápida explosão de rádio. Isso incluiu o detector Konus-Wind a bordo da espaçonave GGS-Wind da NASA e o telescópio espacial INTEGRAL da Agência Espacial Europeia, ambos captando uma explosão de raios-X no momento em que CHIME e STARE2 registraram o FRB.
Como o CHIME é usado para descobrir rajadas de rádio rápidas
Localizado em Okanagan Falls, o Experimento Canadense de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio começou em FRB 200428.
1. COLETA DE SINAIS DE RÁDIO
Não há peças móveis no radiotelescópio CHIME. Em vez disso, conforme a Terra gira, as ondas de rádio emitidas por objetos celestes são recebidas de uma estreita faixa de céu que vai do norte ao sul do horizonte.
2. REFLETORES CILÍNDRICOS
As ondas de rádio são coletadas por quatro refletores parabólicos semicilíndricos alinhados de norte a sul, cada um medindo 66 pés (20 metros) (por 328 pés (100 m) e alinhados em uma fileira. Com o céu do norte varrido de leste a oeste a cada 24 horas, isso dá um campo de visão de 200 graus quadrados.
3. MONTAGEM FOCAL
A radiação é recebida por 256 antenas de polarização dupla, alinhadas acima dos refletores e separadas por 12 polegadas (30 centímetros). Eles são sensíveis de 400 a 800 MHz em ambas as polarizações lineares.
4. PROCESSANDO OS DADOS
Cada microssegundo de dados resulta em 2.048 amostras analógicas amplificadas sendo processadas por um sistema eletrônico chamado F-Engine, que é armazenado com segurança dentro de dois contêineres de transporte blindados de 20 pés (6 m). Os sinais são digitalizados e então convertidos em um espectro de freqüência de 1.024 elementos.
5. CORRELAÇÃO ESPACIAL
Os dados são enviados por cabo óptico para o X-Engine baseado em GPU, alojado em dois contêineres blindados de 12 m. É um cluster de alto desempenho de 1.000 processadores que pode descobrir de onde vêm os sinais e criar um mapa do céu preciso.
Para outra verificação, as atenções se voltaram para o Radiotelescópio Esférico de Abertura de Quinhentos metros (FAST) localizado no sudoeste da China. Este telescópio parabólica de diâmetro fixo detectou uma rápida explosão de rádio na direção de FRB 200428 e colocou sua localização em algum lugar em torno de SGR 1935 + 2154, o que consolidou ainda mais a associação entre a fonte de raios-X e as explosões rápidas de rádio. Este último foi comparável a outros FRBs encontrados fora da Via Láctea, aumentando o corpo de evidências.
“O que isso significa é que o FRB veio da direção de um magnetar conhecido dentro de nossa galáxia e a explosão de rádio aconteceu exatamente ao mesmo tempo que uma explosão de raios-X vinda do mesmo magnetar”, disse Masui. “É uma pista de como os magnetares produzem FRBs, mas a comunidade ainda está tentando descobrir o que isso significa.”
O que ficou claro é que o FRB 200428 é a primeira explosão rápida de rádio observada a enviar outras emissões além das ondas de rádio, e os cientistas se beneficiaram enormemente por terem descoberto um FRB tão perto de casa. A detecção da explosão de raios-X ao mesmo tempo que a explosão de rádio confirmou um magnetar como a origem, e é a evidência que os astrônomos estão procurando.
“A descoberta de um FRB em nossa vizinhança galáctica é significativa porque a proximidade torna muito mais fácil acompanhar a fonte com telescópios observando em outros comprimentos de onda”, disse Chawla. “Nenhum dos FRBs já descobertos foi conhecido por emitir em qualquer outro comprimento de onda, e esta é a primeira detecção de um FRB em um comprimento de onda diferente. Essas observações podem sondar o ambiente de origem com mais detalhes, fornecendo pistas sobre a origem dos FRBs. ”
CHIME, em particular, provou ser uma ferramenta essencial. Baseado no Dominion Radio Astrophysical Observatory no Canadá, é um novo radiotelescópio sem partes móveis e tem uma alta velocidade de mapeamento graças ao seu campo de visão de 200 graus quadrados e ampla faixa de frequência entre 400 MHz e 800 MHz.
“A maioria dos radiotelescópios não são capazes de apontar a localização de um FRB bem o suficiente para associá-lo a um objeto conhecido. Aqueles que são capazes de localizar FRBs com grande precisão geralmente olham para pequenos trechos do céu e só podem observar um trecho ao redor do tamanho da lua cheia. Eles não são capazes de monitorar vários magnetares conhecidos ao mesmo tempo “, disse Chawla.
“O CHIME, no entanto, observa uma área cerca de 500 vezes maior e pode, portanto, monitorar todos os magnetares localizados no céu do norte todos os dias, permitindo-nos detectar uma explosão tão rara como esta. Combina suas capacidades de localização com a grande área do céu , e isso nos permitiu detectar essa explosão e associá-la a um objeto conhecido. ”
Foi revolucionário e rapidamente se tornou o principal observador de FRBs, com um supercomputador correlacionador processando 13 terabits de dados brutos por segundo para produzir um mapa de rádio do céu. “Nossa capacidade de detectar FRBs distantes melhorou dramaticamente nos últimos anos”, disse Masui. “Entre 2007 e 2017, cerca de 50 FRBs foram detectados. Nos últimos dois anos, o CHIME viu várias centenas. Isso é possível devido ao design digital do CHIME, onde a luz é focada usando processamento de sinal digital, tornando-o capaz de ver grandes faixas do céu de uma vez. ”
Mas o caso não está inteiramente encerrado neste mistério.
A abordagem DIY para a descoberta do espaço
O trio de detectores de rádio do STARE2 foi montado por um aluno usando utensílios domésticos.
Como nos diz Chawla, os magnetares extragalácticos jovens constituem apenas um dos modelos propostos de FRBs. Explosões de magnetares conhecidos em nossa própria galáxia nunca foram observadas como tão poderosas quanto as extragalácticas e, para os fins do estudo em FRB 200428, os astrônomos inferiram que a explosão que detectaram era 3.000 vezes mais brilhante do que qualquer explosão observada anteriormente, portanto tornando o modelo magnetar para FRBs mais plausível.
“A explosão que vimos foi ainda menos energética do que a maioria dos FRBs extragalácticos, então não podemos dizer com certeza se os magnetares podem explicar todos os FRBs”, disse Chawla sobre uma explosão que foi um milésimo da energia de qualquer equivalente encontrado fora da Via Láctea.
Pode ser que rajadas mais fracas sejam mais prevalentes e que seja simplesmente uma questão de estar perto o suficiente para ser detectado. Mas quando se trata de identificar a fonte de FRBs em magnetares, os astrônomos precisam lembrar que eles vêm em duas formas: aqueles que têm sinais repetidos, o que significa que frequentemente geram explosões continuamente, e outros que, como FRB 200428, gerar com menos frequência.
Pode ser que FRBs raros sejam causados por magnetares e os frequentes sejam causados por um fenômeno diferente. Por outro lado, também pode significar que podem existir dois tipos de magnetares, causando os dois tipos diferentes de rajadas rápidas de rádio, ou mesmo que os FRBs mais brilhantes são causados por outros objetos que não magnetares. Apenas mais pesquisas irão lançar luz sobre a resposta, uma vez que tudo o que podemos realmente dizer com certeza é que pelo menos alguma fração dos FRBs vêm de magnetares
“Há algum tempo se suspeita que magnetares podem ser as fontes de FRBs, mas isso confirma isso para pelo menos uma fração deles, já que vimos isso acontecer uma vez”, disse Masui. “Mas ainda não sabemos como os magnetares os criam – sabemos o ‘o que’ e a seguir é o ‘como’: como os magnetares fazem isso?”
Como tal, continua a ser importante descobrir o que alimenta um FRB para emitir tal energia – talvez elétrons interagindo com campos magnéticos criando uma espécie de “motor”. “Estaríamos interessados em determinar o quão extremas as propriedades desses magnetares precisam ser para permitir que uma explosão deles seja vista em todo o universo”, disse Chawla. “Mas a aplicação mais interessante dos FRBs seria usá-los como sondas cosmológicas para estudar as distribuições de elétrons e campos magnéticos no universo com detalhes sem precedentes.”
Os astrônomos também continuarão a observar como as emissões de raios-X e essas explosões brilhantes de energia podem ocorrer ao mesmo tempo. “Se todos os FRBs são ou não criados através do mesmo mecanismo é uma questão pendente e está sujeita a muitos debates entre os astrônomos”, disse Masui. Diante disso, está claro que os astrônomos estarão investigando o mistério contínuo das explosões rápidas de rádio por algum tempo.
Publicado em 08/07/2021 22h13
Artigo original: