Ao procurar as origens de uma poderosa explosão de raios gama (GRB), uma equipe internacional de astrofísicos pode ter encontrado uma nova maneira de destruir uma estrela.
Embora a maioria dos GRBs se origine da explosão de estrelas massivas ou fusões de estrelas de nêutrons, os pesquisadores concluíram que o GRB 191019A veio da colisão de estrelas ou remanescentes estelares no ambiente lotado em torno de um buraco negro supermassivo no núcleo de uma galáxia antiga. O ambiente semelhante ao derby de demolição aponta para uma maneira hipotética há muito tempo – mas nunca antes vista – de demolir uma estrela e gerar um GRB.
O estudo será publicado amanhã (22 de junho) na revista Nature Astronomy. Liderada pela Radboud University, na Holanda, a equipe de pesquisa incluiu astrônomos da Northwestern University.
“Para cada cem eventos que se encaixam no esquema de classificação tradicional de explosões de raios gama, há pelo menos um estranho que nos deixa confusos”, disse o astrofísico da Northwestern e co-autor do estudo Wen-fai Fong, “No entanto, é esses excêntricos que nos dizem mais sobre a espetacular diversidade de explosões de que o universo é capaz.”
“A descoberta desses fenômenos extraordinários dentro de sistemas estelares densos, especialmente aqueles que circundam buracos negros supermassivos nos núcleos das galáxias, é inegavelmente emocionante”, disse o astrofísico da Northwestern e coautor do estudo Giacomo Fragione. “Esta descoberta notável nos dá um vislumbre tentador da intrincada dinâmica em funcionamento nesses ambientes cósmicos, estabelecendo-os como fábricas de eventos que, de outra forma, seriam considerados impossíveis.”
Fong é professor assistente de física e astronomia na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences e membro do Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Fragione é professor assistente de pesquisa no CIERA. Outros coautores da Northwestern incluem Anya Nugent e Jillian Rastinejad – ambas Ph.D. estudantes de astronomia e membros do grupo de pesquisa de Fong.
A maioria das estrelas morre, de acordo com sua massa, de uma das três maneiras previsíveis. Quando estrelas de massa relativamente baixa, como o nosso Sol, atingem a velhice, elas perdem suas camadas externas, eventualmente desaparecendo para se tornar estrelas anãs brancas. Estrelas mais massivas, por outro lado, queimam com mais intensidade e explodem mais rapidamente em explosões cataclísmicas de supernovas, criando objetos ultradensos como estrelas de nêutrons e buracos negros. O terceiro cenário ocorre quando dois desses remanescentes estelares formam um sistema binário e eventualmente colidem.
Mas o novo estudo descobriu que pode haver uma quarta opção.
“Nossos resultados mostram que as estrelas podem morrer em algumas das regiões mais densas do universo, onde podem ser levadas a colidir”, disse o principal autor Andrew Levan, astrônomo da Radboud University. “Isso é empolgante para entender como as estrelas morrem e para responder a outras perguntas, como quais fontes inesperadas podem criar ondas gravitacionais que poderíamos detectar na Terra”.
Muito além de seu auge de formação de estrelas, as galáxias antigas têm poucas estrelas massivas remanescentes, se é que há alguma. Seus núcleos, no entanto, estão repletos de estrelas e uma coleção de remanescentes estelares ultradensos, como anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Os astrônomos há muito suspeitam que na turbulenta atividade em torno de um buraco negro supermassivo, seria apenas uma questão de tempo até que dois objetos estelares colidissem para produzir um GRB. Mas as evidências desse tipo de fusão permanecem indefinidas.
Em 19 de outubro de 2019, os astrônomos vislumbraram os primeiros indícios de tal evento quando o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA detectou um flash brilhante de raios gama que durou pouco mais de um minuto. Qualquer GRB com duração superior a dois segundos é considerado “longo”. Essas explosões geralmente vêm do colapso de estrelas com pelo menos 10 vezes a massa do nosso sol.
Os pesquisadores então usaram o telescópio Gemini South no Chile – parte do Observatório Internacional Gemini operado pelo NOIRLab da National Science Foundation – para fazer observações de longo prazo do brilho residual do GRB.
Essas observações permitiram aos astrônomos identificar a localização do GRB em uma região a menos de 100 anos-luz do núcleo de uma galáxia antiga – muito perto do buraco negro supermassivo da galáxia. Curiosamente, os pesquisadores também não encontraram evidências de uma supernova correspondente, que deixaria sua marca na luz capturada pela Gemini South.
“A falta de uma supernova acompanhando o longo GRB 191019A nos diz que essa explosão não é um colapso típico de uma estrela massiva”, disse Rastinejad, que realizou cálculos para garantir que uma supernova não estivesse escondida nos dados. “A localização do GRB 191019A, embutido no núcleo da galáxia hospedeira, provoca uma teoria prevista, mas ainda não comprovada, de como as fontes emissoras de ondas gravitacionais podem se formar.”
Em ambientes galácticos típicos, a produção de GRBs longos a partir de remanescentes estelares em colisão, como estrelas de nêutrons e buracos negros, é incrivelmente rara. Os núcleos de galáxias antigas, no entanto, são tudo menos típicos, e pode haver um milhão ou mais de estrelas amontoadas em uma região de apenas alguns anos-luz de diâmetro. Essa densidade populacional extrema pode ser grande o suficiente para que colisões estelares ocasionais possam ocorrer, especialmente sob a influência gravitacional titânica de um buraco negro supermassivo, que perturbaria os movimentos das estrelas e as enviaria em direções aleatórias. Eventualmente, essas estrelas rebeldes se cruzariam e se fundiriam, provocando uma explosão titânica que poderia ser observada a partir de vastas distâncias cósmicas.
“Este evento confunde quase todas as expectativas que temos para os ambientes de GRBs curtos e longos”, disse Nugent, que realizou modelagem crucial da galáxia hospedeira. “Embora GRBs longos nunca sejam encontrados em galáxias tão antigas e mortas quanto o hospedeiro de GRB 191019A, GRBs curtos, com suas origens de fusão, não foram observados tão conectados aos núcleos de seus hospedeiros. A descoberta deste evento no núcleo de sua antiga galáxia quiescente abre as portas para novos caminhos promissores para a formação de sistemas binários que raramente foram observados antes”.
É possível que tais eventos ocorram rotineiramente em regiões igualmente lotadas em todo o universo, mas tenham passado despercebidos até agora. Uma possível razão para sua obscuridade é que os centros galácticos estão repletos de poeira e gás, o que pode obscurecer tanto o flash inicial do GRB quanto o brilho resultante. GRB 191019A pode ser uma rara exceção, permitindo aos astrônomos detectar a explosão e estudar seus efeitos posteriores.
“Embora este evento seja o primeiro de seu tipo a ser descoberto, é possível que haja mais por aí escondidos pelas grandes quantidades de poeira perto de suas galáxias”, disse Fong. “De fato, se esse evento de longa duração veio da fusão de objetos compactos, ele contribui para a crescente população de GRBs que desafia nossas classificações tradicionais”.
Ao trabalhar para descobrir mais desses eventos, os pesquisadores esperam combinar uma detecção de GRB com uma detecção de onda gravitacional correspondente, o que revelaria mais sobre sua verdadeira natureza e confirmaria suas origens – mesmo nos ambientes mais sombrios. O Observatório Vera C. Rubin, quando estiver online em 2025, será inestimável nesse tipo de pesquisa.
O estudo, “Uma explosão de raios gama de longa duração de origem dinâmica do núcleo de uma galáxia antiga”, foi apoiado pela National Science Foundation, NASA, David and Lucile Packard Foundation, European Research Council, VILLUM FONDEN, the Conselho de Tecnologia e Instalações Científicas do Reino Unido, Conselho de Pesquisa Holandês e Conselho de Pesquisa Australiano.
Publicado em 28/06/2023 09h30
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