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Jatos de raios gama revelam o que está por trás das mais poderosas explosões já registradas

Usando telescópios situados no solo, dois times de pesquisadores registraram as mais possantes emissões de energia observadas em fontes cósmicas

Representação artística de uma explosão de raios gama. Crédito: DESY Science Communication Lab

As mais intensas explosões cósmicas já registradas foram ainda mais potentes do que se pensava, segundo estudos de duas equipes de astrônomos publicados na revista Nature.

Quase todos os dias, sem aviso prévio, explosões de raios gama (GRBs, da sigla em inglês) inundam a Terra, vindas de algum lugar das vastas profundezas do cosmos. Acredita-se que cada uma delas sinalize o nascimento cataclísmico de um buraco negro, através do colapso de uma estrela massiva ou através da fusão de estrelas de nêutrons. Como uma GRB emite, em poucos segundos, mais energia do que o nosso Sol produzirá durante toda a sua vida útil de 10 bilhões de anos, elas podem ser vistas em quase todo o Universo visível.

Isto é, desde que se tenha o equipamento certo. Embora invisíveis aos nossos olhos, os raios gama causam grande estrago. Eles são tão energéticos que destroem átomos e moléculas na atmosfera da Terra de forma implacável, literalmente desaparecendo no ar antes que possam alcançar os telescópios terrestres. Após a sua descoberta no final da década de 1960, que ocorreu por acaso quando satélites do governo americano observavam explosões nucleares na Terra e ao redor dela, os raios gama das GRBs foram monitorados principalmente por observatórios espaciais. Os detectores nessas instalações, no entanto, são pequenos demais para identificaram a pequena fração de raios gama de energia mais alta previstos por modelos teóricos de explosões GRBs.

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Dessa forma, ninguém realmente sabia exatamente o quão poderosas poderiam ser as GRBs. Nas últimas três décadas, astrônomos tentaram capturar essas emissões extremas usando matrizes de telescópios terrestres maiores para observar o brilho fraco — chamado de luz Cherenkov — criado por raios gama de alta energia em colisão com a atmosfera superior. Mas, limitados por condições difíceis de observação e restrito às GRBs mais brilhantes e próximas, nenhum desses esforços foi bem-sucedido — até agora.

Em um período de seis meses, duas equipes internacionais de pesquisadores que operam telescópios terrestres detectaram, de forma independente, raios gama extremos de duas GRBs distintas. A primeira observação, ocorrida em julho de 2018, foi feita pelo Sistema Estereoscópico de Alta Energia (HESS), um conjunto de telescópios de 28 metros na Namíbia, que registrou raios gama acima de 100 gigaeletronvolts de um evento nomeado GRB 180720b. A segunda detecção, feita pelos telescópios gêmeos de 17 metros da Major Gamma Imaginary Atmosphere Cherenkov (MAGIC), nas Ilhas Canárias da Espanha, ocorreu em janeiro de 2019, de um evento conhecido como GRB 190114c. As observações do MAGIC detectaram raios gama de um teraelétron-volt, e desencadearam uma campanha imediata de outras observações por parte de telescópios em todo o mundo. (100 gigaelétronvolts é cerca de 100 bilhões de vezes mais energia do que a transportada por um fóton de luz visível, e um teraelétronvolt é alguns trilhões de vezes a energia da luz visível; essas energias são frequentemente atingidas em aceleradores de partículas terrestres, mas nunca foram registradas em fontes celestes).

O brilho residual da GRB 190114c (círculo verde) dentro de sua galáxia espiral hospedeira, na constelação de Fornax, visto em duas imagens combinadas capturadas pelo Telescópio Espacial Hubble em 11 de fevereiro e 12 de março de 2019. Crédito: NASA, ESA e V. Acciari et al. 2019

Os resultados sugerem que a energia dos raios gama mais intensos de uma GRB é comparável à quantidade liberada por todas as suas emissões de energia mais fracas combinadas — o que significa que os astrônomos estavam ignorando aproximadamente metade da energia total produzida por uma GRB. “Nossa descoberta mostra que as GRBs são muito mais energéticas do que se pensava antes”, diz Razmik Mirzoyan, membro da equipe MAGIC no Instituto Max Planck de Física em Munique e coautor de dois artigos que relatam os estudos da equipe sobre a explosão de janeiro de 2019. “Estávamos ignorando muita energia…. Agora podemos colocar restrições muito melhores nos diversos parâmetros que caracterizam uma GRB e, assim, entender esses monstros muito melhor.”

“Antes dessas detecções, era difícil saber quais GRBs tinham maior probabilidade de produzir raios gama de alta energia”, diz Edna Ruiz Velasco, membro da equipe do HESS no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg e coautora do estudo do grupo sobre a GRB 180720b. “Agora que observamos algumas delas, deve ser mais fácil identificar quais GRBs devem ser observadas e por quanto tempo, aumentando a probabilidade de detectar mais GRBs no futuro.”

POR DENTRO DO BRILHO RESIDUAL

Uma GRB ocorre em dois estágios — primeiro, um intenso flash inicial composto quase puramente por raios gama, seguido por um brilho residual que lentamente desaparece. O flash dura até um minuto e provém de jatos de partículas disparadas quase à velocidade da luz para fora do buraco negro recém-nascido; o brilho residual é a onda de explosão que atinge o gás circundante e pode durar meses ou até anos. Os astrônomos confiam em telescópios espaciais ágeis, como os satélites Swift e Fermi, da Nasa, para detectar os flashes repentinos e de curta duração das GRBs; essas detecções resultam em alertas automáticos enviados para todo o mundo para permitir que uma série de instalações no solo e no espaço — como o MAGIC e o HESS — estudem o duradouro brilho residual de uma GRB.

O MAGIC e o HESS observaram não apenas diferentes GRBs, mas também diferentes estágios dos brilhos residuais. A observação de duas horas da GRB 180720b feita pelo HESS começou no meio do estágio do brilho residual, na noite de 20 de julho de 2018, cerca de 10 horas após uma detecção inicial feita pelos telescópios Swift e Fermi, que localizaram a GRB perto da constelação de Peixes. Foi somente mais tarde, ao analisar cuidadosamente seus dados de arquivo, que a equipe do HESS percebeu que havia detectado raios gama de energia ultra-alta, fazendo um anúncio preliminar da descoberta em um simpósio em Bolonha, na Itália, em 8 de maio de 2019.

“A mensagem mais surpreendente do nosso trabalho é que ainda podemos explorar a emissão de GRBs no estágio do brilho residual, várias horas após o início da explosão”, diz Ruiz Velasco. “Com os futuros telescópios, poderemos ir ainda mais fundo no tempo e na energia.”

Diferente da análise longa e tardia da equipe do HESS, os telescópios do MAGIC começaram a observar o brilho residual da GRB 190114c apenas um minuto após os alertas do Swift e do Fermi chegaram na noite de 14 de janeiro de 2019, comunicando a detecção da explosão na constelação de Fornax. Após 20 minutos de observações iniciais, o MAGIC capturou milhares de fótons de alta energia do brilho residual da GRB 190114c.

“Começamos imediatamente a escrever e-mails e a ligar para especialistas em análise espalhados em muitos países, como Espanha, Alemanha e Japão”, lembra Mirzoyan. “Depois de trocar 64 e-mails e várias ligações, entendi que tínhamos feito uma descoberta real.”

Quatro horas após o alerta inicial, Mirzoyan e seus colegas mandaram outro alerta para astrônomos de todo o mundo, recrutando, por fim, duas dúzias de instrumentos no solo e no espaço para estudar o brilho residual em uma ampla gama de comprimentos de onda, como rádio, óptico e raios-x. Com os dados iniciais do MAGIC e, posteriormente, com as medições do HESS, essa campanha global revelou novas ideias fundamentais sobre como as GRBs conseguem produzir a luz mais energética já observada.

PROCURANDO PELOS PICOS

Os pesquisadores sabem há décadas que a maioria dos raios gama emitidos pelo brilho residual de uma GRB provém da radiação síncrotron, na qual elétrons giram em torno de intensos campos magnéticos e liberam fótons. Mas a fonte dos raios gama com energia acima de 100 gigaeletronvolts tem permanecido um mistério. A teoria mais aceita sustenta que essas emissões de energia altíssima se originam de um processo chamado espalhamento Compton inverso, no qual os mesmos elétrons que produzem fótons, ao girar em campos magnéticos, colidem com alguns desses fótons para aumentar ainda mais suas energias. Uma previsão chave desses modelos é que a distribuição de energia do brilho residual de uma GRB exibirá um “pico duplo” característico, com um pico da emissão de síncrotron e outro proveniente do aumento resultante dos fótons gerados. As observações de vários comprimentos de onda da GRB 190114c iniciadas pela equipe MAGIC exibem claramente esses picos, que também se manifestam de forma menos clara nos dados do HESS sobre a GRB 180720b.

A hipótese do espalhamento Compton inverso ficou ainda mais convincente após análises iniciais e independentes de alguns dos dados do MAGIC por pelo menos três grupos diferentes, incluindo alguns liderados pelos autores da teoria original. “Essas novas observações são a ‘Pedra de Roseta’ das GRBs”, diz Tsvi Piran, astrofísico da Universidade Hebraica de Jerusalém que desenvolveu um modelo sobre brilhos residuais de GRBs no final dos anos 90 com os colegas Re’em Sari e Ramesh Narayan. “Elas nos permitem revelar condições com precisão sem precedentes, e abrem uma nova janela para nossa compreensão das GRBs.” 

Trabalhando com dados disponíveis do MAGIC e do Swift, Piran e Evgeny Derishev, da Academia Russa de Ciências, publicaram suas próprias análises do brilho residual da GRB 190114c em agosto, também sinalizando para o espalhamento Compton inverso como fonte da emissão de alta energia.

“Devo dizer que fiquei um pouco decepcionado ao ver que a equipe MAGIC não mencionou que nossa análise de seus dados chegou à mesma conclusão”, diz Piran. “Eles estão muito bem a par dos nossos resultados, mas se referem ao nosso artigo apenas na seção de métodos na publicação deles. Não há diferenças significativas nas conclusões sobre o modelo entre o nosso trabalho e os resultados do MAGIC.”

Mirzoyan observa que, porque Derishev e Piran basearam seu trabalho nas informações escassas inicialmente divulgadas pelo MAGIC, e não no conjunto completo de dados, “eles fazem estimativas com margens não desprezíveis ou entram em especulações no máximo razoáveis”. Essas estimativas e especulações, diz ele, levam a “diferenças reais e significativas” entre os dois estudos rivais, como na modelagem dos campos magnéticos de uma GRB. “Eles precisaram ‘adivinhar’ algumas coisas, e nós tínhamos os dados completos para nos ajudar a evitar essa inflação de possibilidades”, conclui.

Controvérsias à parte, o astrofísico da Universidade de Nevada, Bing Zhang, outro colaborador crucial da teoria sobre o brilho residual de GRBs e autor de um texto de revisão que acompanha os resultados do MAGIC e do HESS, diz que a descoberta anuncia um futuro brilhante para o campo. Uma nova geração de equipamentos — especialmente a matriz internacional de telescópios Cherenkov, bem como o Observatório Chinês de Grandes Altitudes — vão começar em breve ou já estão coletando mais dados sobre GRBs.

“Algo que era teoricamente esperado por duas décadas foi finalmente detectado após o dedicado trabalho de experimentalistas e observadores”, diz Zhang. “A detecção não foi surpreendente, mas pode haver mais características a serem reveladas em observações futuras, especialmente para eventos muito brilhantes e próximos.” (“Próximo” é relativo aqui: a GRB recorde da MAGIC está a quase 5,5 bilhões de anos-luz de distância, e a do HESS está a cerca de 7 bilhões de anos-luz de distância.) Agora que os telescópios Cherenkov terrestres mostraram que podem detectar GRBs, diz Zhang, eles podem estudar novos eventos em conjunto com detectores de neutrinos e observatórios de ondas gravitacionais, revelando as explosões mais impressionantes do Universo com detalhes inéditos.

Lee Billings