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Em 11 de dezembro de 2021, o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA e o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray detectaram uma explosão de luz de alta energia nos arredores de uma galáxia a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância. O evento abalou a compreensão dos cientistas sobre as explosões de raios gama (GRBs), os eventos mais poderosos do universo.
Nas últimas décadas, os astrônomos geralmente dividiram os GRBs em duas categorias. Explosões longas emitem raios gama por dois segundos ou mais e se originam da formação de objetos densos como buracos negros no centro de estrelas massivas em colapso. Explosões curtas emitem raios gama por menos de dois segundos e são causadas por fusões de objetos densos como estrelas de nêutrons. Às vezes, os cientistas observam rajadas curtas com uma explosão de luz visível e infravermelha chamada quilonova.
“Esta explosão, chamada GRB 211211A, foi uma mudança de paradigma, pois é a primeira explosão de raios gama de longa duração rastreada até a origem da fusão de uma estrela de nêutrons”, disse Jillian Rastinejad, estudante de pós-graduação da Northwestern University em Evanston, Illinois, que liderou uma equipe que estudou a explosão. “A explosão de alta energia durou cerca de um minuto, e nossas observações de acompanhamento levaram à identificação de uma kilonova. Essa descoberta tem profundas implicações sobre como os elementos pesados do universo surgiram.”
Uma clássica explosão curta de raios gama começa com duas estrelas de nêutrons em órbita, os restos esmagados de estrelas massivas que explodiram como supernovas. À medida que as estrelas circulam cada vez mais perto, elas retiram material rico em nêutrons umas das outras. Eles também geram ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço-tempo – embora nenhuma tenha sido detectada neste evento.
Eventualmente, as estrelas de nêutrons colidem e se fundem, criando uma nuvem de detritos quentes emitindo luz em vários comprimentos de onda. Os cientistas levantam a hipótese de que jatos de partículas de alta velocidade, lançados pela fusão, produzem a explosão inicial de raios gama antes de colidirem com os destroços. O calor gerado pelo decaimento radioativo de elementos nos detritos ricos em nêutrons provavelmente cria a luz visível e infravermelha da kilonova. Essa decadência resulta na produção de elementos pesados como ouro e platina.
“Muitos anos atrás, Neil Gehrels, um astrofísico e homônimo de Swift, sugeriu que as fusões de estrelas de nêutrons poderiam produzir algumas rajadas longas”, disse Eleonora Troja, astrofísica da Universidade de Roma que liderou outra equipe que estudou a explosão. “A quilonova que observamos é a prova que conecta as fusões a esses eventos de longa duração, forçando-nos a repensar como os buracos negros são formados”.
O Fermi e o Swift detectaram a explosão simultaneamente, e o Swift foi capaz de identificar rapidamente sua localização na constelação de Boötes, permitindo que outras instalações respondessem rapidamente com observações de acompanhamento. Suas observações forneceram a visão mais antiga dos primeiros estágios de uma kilonova.
Muitos grupos de pesquisa se aprofundaram nas observações coletadas pelo Swift, Fermi, Telescópio Espacial Hubble e outros. Alguns sugeriram que as estranhezas da explosão poderiam ser explicadas pela fusão de uma estrela de nêutrons com outro objeto massivo, como um buraco negro. O evento também foi relativamente próximo, pelos padrões de explosão de raios gama, o que pode ter permitido que os telescópios captassem a luz mais fraca da kilonova. Talvez algumas rajadas longas e distantes também possam produzir quilonovas, mas não conseguimos vê-las.
A luz após a explosão, chamada de emissão de arrebol, também exibiu características incomuns. O Fermi detectou raios gama de alta energia começando 1,5 horas após a explosão e durando mais de 2 horas. Esses raios gama atingiram energias de até 1 bilhão de elétron-volts. (A energia da luz visível mede entre cerca de 2 e 3 elétron-volts, para comparação.)
“Esta é a primeira vez que vimos um excesso de raios gama de alta energia após um evento de fusão. Normalmente, essa emissão diminui com o tempo”, disse Alessio Mei, doutorando do Gran Sasso Science Institute em L ‘Aquila, Itália, que liderou um grupo que estudou os dados. “É possível que esses raios gama de alta energia venham de colisões entre a luz visível da kilonova e os elétrons em jatos de partículas. Os jatos podem ser os mais fracos da explosão original ou novos alimentados pelo buraco negro ou magnetar resultante.”
Os cientistas acreditam que as fusões de estrelas de nêutrons são a principal fonte dos elementos pesados do universo. Eles basearam suas estimativas na taxa de rajadas curtas que se acredita ocorrer em todo o cosmos. Agora, eles também precisarão incluir rajadas longas em seus cálculos.
Uma equipe liderada por Benjamin Gompertz, astrofísico da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, analisou toda a curva de luz de alta energia, ou a evolução do brilho do evento ao longo do tempo. Os cientistas observaram características que podem fornecer uma chave para a identificação de incidentes semelhantes – longos surtos de fusões – no futuro, mesmo aqueles que são mais escuros ou mais distantes. Quanto mais astrônomos encontrarem, mais eles poderão refinar sua compreensão dessa nova classe de fenômenos.
Em 7 de dezembro de 2022, os artigos liderados por Rastinejad, Troja e Mei foram publicados na revista científica Nature, e um artigo liderado por Gompertz foi publicado na Nature Astronomy.
“Esse resultado ressalta a importância de nossas missões trabalharem juntas e com outras para fornecer acompanhamento de vários comprimentos de onda desses tipos de fenômenos”, disse Regina Caputo, cientista do projeto Swift, no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Esforços coordenados semelhantes sugeriram que algumas supernovas podem produzir rajadas curtas, mas este evento é o último prego no caixão para a dicotomia simples que usamos há anos. Você nunca sabe quando pode encontrar algo surpreendente.”
O Goddard Space Flight Center da NASA gerencia as missões Swift e Fermi.
O Swift é uma colaboração com a Penn State, o Los Alamos National Laboratory no Novo México e a Northrop Grumman Space Systems em Dulles, Virgínia, com importantes contribuições de parceiros no Reino Unido e na Itália.
Fermi é uma colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, com importantes contribuições de parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos.
O Telescópio Espacial Hubble é um projeto de cooperação internacional entre a NASA e a ESA (Agência Espacial Europeia). Goddard gerencia o telescópio. O Space Telescope Science Institute (STScI) em Baltimore conduz operações científicas. O STScI é operado para a NASA pela Association of Universities for Research in Astronomy, em Washington, DC
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