Por quase duas décadas, os astrofísicos acreditaram que longas explosões de raios gama (GRBs) resultaram apenas do colapso de estrelas massivas. Agora, um novo estudo derruba essa crença há muito estabelecida e aceita.
Liderada pela Northwestern University, uma equipe de astrofísicos descobriu novas evidências de que pelo menos alguns GRBs longos podem resultar de fusões de estrelas de nêutrons, que antes se acreditava produzir apenas GRBs curtos.
Depois de detectar um GRB de 50 segundos em dezembro de 2021, a equipe começou a procurar o longo brilho posterior do GRB, uma explosão de luz incrivelmente luminosa e que desaparece rapidamente que geralmente precede uma supernova. Mas, em vez disso, eles descobriram evidências de uma kilonova, um evento raro que só ocorre após a fusão de uma estrela de nêutrons com outro objeto compacto (outra estrela de nêutrons ou um buraco negro).
Além de desafiar as crenças há muito estabelecidas sobre quanto tempo os GRBs são formados, a nova descoberta também leva a novos insights sobre a misteriosa formação dos elementos mais pesados do universo.
A pesquisa foi publicada em 7 de dezembro na revista Nature.
“Este evento parece diferente de tudo o que vimos antes de uma longa explosão de raios gama”, disse Jillian Rastinejad, da Northwestern, que liderou o estudo. “Seus raios gama se assemelham aos das explosões produzidas pelo colapso de estrelas massivas. Dado que todas as outras fusões confirmadas de estrelas de nêutrons que observamos foram acompanhadas por explosões com duração inferior a dois segundos, tínhamos todos os motivos para esperar que esse GRB de 50 segundos fosse criado pelo colapso de uma estrela massiva. Este evento representa uma emocionante mudança de paradigma para a astronomia de explosão de raios gama.”
“Quando seguimos essa longa explosão de raios gama, esperávamos que isso levasse a evidências de um colapso massivo de estrelas”, disse Wen-fai Fong, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Em vez disso, o que descobrimos foi muito diferente. Quando entrei no campo há 15 anos, estava gravado em pedra que longas explosões de raios gama vêm de colapsos de estrelas massivas. Essa descoberta inesperada não apenas representa uma grande mudança em nossa compreensão, mas também também abre uma nova janela para descoberta.”
Fong é professor assistente de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro-chave do Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA). Rastinejad, um Ph.D. aluno do CIERA e membro do grupo de pesquisa de Fong, é o primeiro autor do artigo.
Divisão longa
As explosões mais brilhantes e energéticas desde o Big Bang, os GRBs são divididos em duas classes. GRBs com durações inferiores a dois segundos são considerados GRBs curtos. Se um GRB durar mais de dois segundos, ele será considerado um GRB longo. Os pesquisadores acreditavam anteriormente que os GRBs em ambos os lados da linha divisória deveriam ter origens diferentes.
Em dezembro de 2021, o Telescópio de Alerta de Explosão do Observatório Neil Gehrels Swift e o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi detectaram uma explosão brilhante de luz de raios gama, chamada
GRB211211A. Com pouco mais de 50 segundos de duração, o GRB211211A inicialmente não parecia ser nada de especial. Mas localizado a cerca de 1,1 bilhão de anos-luz de distância – que, acredite ou não, é relativamente próximo da Terra – os astrofísicos decidiram estudar esse evento “próximo” em detalhes, usando uma infinidade de telescópios que podiam observar em todo o espectro eletromagnético.
Para obter imagens do evento com comprimentos de onda do infravermelho próximo, a equipe rapidamente iniciou a geração de imagens com o Observatório Gemini no Havaí. Após dois dias de observação com Gemini, Rastinejad se preocupou com a possibilidade de ela não conseguir obter uma visão clara.
“O tempo estava piorando no Havaí e ficamos muito desapontados porque estávamos começando a descobrir indícios de que essa explosão era diferente de tudo que tínhamos visto antes”, disse ela. “Felizmente, a Northwestern nos fornece acesso remoto ao Observatório MMT no Arizona, e um instrumento ideal estava sendo colocado naquele telescópio no dia seguinte. Estava nublado lá, mas os operadores do telescópio sabiam o quão importante era essa explosão e encontraram uma lacuna entre as nuvens para tirar nossas fotos. Foi estressante, mas muito emocionante para obter essas imagens em tempo real.”
‘Sinal revelador de uma kilonova’
Depois de examinar as imagens de infravermelho próximo, a equipe avistou um objeto incrivelmente fraco que desapareceu rapidamente. As supernovas não desaparecem tão rapidamente e são muito mais brilhantes, então a equipe percebeu que encontrou algo inesperado que antes se acreditava ser impossível.
“Existem muitos objetos em nosso céu noturno que desaparecem rapidamente”, disse Fong. “Nós visualizamos uma fonte em diferentes filtros para obter informações de cores, o que nos ajuda a determinar a identidade da fonte. Nesse caso, a cor vermelha prevaleceu e as cores mais azuis desbotaram mais rapidamente. Essa evolução de cores é uma assinatura reveladora de uma quilonova, e as quilonovas podem vêm apenas de fusões de estrelas de nêutrons.”
Como as estrelas de nêutrons são objetos limpos e compactos, os pesquisadores acreditavam anteriormente que as estrelas de nêutrons não continham material suficiente para alimentar um GRB de longa duração. As estrelas massivas, por outro lado, podem ter dezenas a centenas de vezes a massa do nosso sol. À medida que a estrela moribunda entra em colapso, seu material cai para dentro para alimentar um buraco negro recém-formado. Mas, graças aos campos magnéticos do buraco negro, parte do material que cai para dentro é lançado para fora em velocidades próximas à velocidade da luz – alimentando um GRB.
“Quando você coloca duas estrelas de nêutrons juntas, não há realmente muita massa lá”, explicou Fong. “Um pouco de massa se acumula e então alimenta uma explosão de duração muito curta. No caso de colapsos de estrelas massivas, que tradicionalmente alimentam explosões de raios gama mais longas, há um tempo de alimentação mais longo.”
Mudando a busca
O evento não foi a única parte estranha do estudo. A galáxia hospedeira do GRB também é bastante curiosa. Nomeada SDSS J140910.47+275320.8, a galáxia hospedeira é jovem e formadora de estrelas, quase exatamente o oposto do único outro universo local conhecido hospedeiro de um evento de fusão de estrelas de nêutrons: a galáxia hospedeira de GW170817, NGC4993. Para analisar a galáxia hospedeira, a equipe usou dados do W.M. Observatório Keck.
“Após a detecção de GW170817 e sua associação com uma enorme galáxia hospedeira vermelha e morta, muitos astrônomos assumiram que as fusões de estrelas de nêutrons no universo próximo seriam semelhantes a NGC4993”, disse Anya Nugent, uma estudante de pós-graduação da Northwestern e co-autor do estudo. “Mas esta galáxia é bastante jovem, formando estrelas ativamente e não tão massiva. Na verdade, ela se parece mais com pequenos hospedeiros GRB vistos mais fundo no universo. Acho que isso muda nossa visão dos tipos de galáxias que devemos observar quando estamos procurando por kilonovae próximos.”
Também muda a forma como os astrofísicos podem abordar a busca por elementos pesados, como platina e ouro. Embora os pesquisadores tenham conseguido estudar as fábricas astronômicas que produzem elementos mais leves, como hélio, silício e carbono, os astrofísicos postulam que explosões de supernovas e fusões de estrelas de nêutrons produzem os elementos mais pesados. Assinaturas claras de sua criação, no entanto, raramente são observadas.
“Kilonovae são alimentados pelo decaimento radioativo de alguns dos elementos mais pesados do universo”, disse Rastinejad. “Mas as kilonovas são muito difíceis de observar e desaparecem muito rapidamente. Agora, sabemos que também podemos usar algumas rajadas de raios gama para procurar mais kilonovas.”
Agora que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) está funcionando, os astrofísicos poderão procurar mais pistas dentro das quilonovas. Como o JWST é capaz de capturar imagens e espectros de objetos astronômicos, ele pode detectar elementos específicos emitidos pelo objeto. Usando o Webb, os astrofísicos podem finalmente obter evidências observacionais diretas da formação de elementos pesados.
“Infelizmente, mesmo os melhores telescópios terrestres não são sensíveis o suficiente para realizar a espectroscopia”, disse Rastinejad. “Com o JWST, poderíamos ter obtido um espectro da kilonova. Essas linhas espectrais fornecem evidência direta de que você detectou os elementos mais pesados.”
O artigo do estudo é intitulado “Uma kilonova após uma explosão de raios gama de longa duração a 350 Mpc”.
Publicado em 12/12/2022 13h38
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