Depois de uma viagem que durou cerca de dois mil milhões de anos, os fotões de uma fonte extremamente energética explosão de raios gama (GRB) atingiu os sensores do Observatório Neil Gehrels Swift e do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi em 9 de outubro de 2022. O GRB durou sete minutos, mas ficou visível por muito mais tempo. Até mesmo astrônomos amadores detectaram a poderosa explosão nas frequências visíveis.
Foi tão poderoso que afetou a atmosfera da Terra, um feito notável a mais de dois mil milhões de anos-luz de distância. É o GRB mais brilhante já observado e, desde então, os astrofísicos têm procurado a sua origem.
A NASA diz que os GRBs são as explosões mais poderosas do Universo. Eles foram detectados pela primeira vez no final da década de 1960 por satélites americanos lançados para vigiar a URSS. Os americanos estavam preocupados com a possibilidade de os russos continuarem a testar armas atómicas, apesar de terem assinado o Tratado de Proibição de Testes Nucleares de 1963.
Agora, detectamos cerca de um GRB diariamente, e eles estão sempre em galáxias distantes. Os astrofísicos lutaram para explicá-los, apresentando diferentes hipóteses. Houve tanta pesquisa sobre eles que, no ano 2.000, uma média de 1,5 artigos sobre GRBs foram publicados diariamente em revistas científicas.
Houve muitas causas propostas diferentes. Alguns pensavam que os GRBs poderiam ser liberados quando os cometas colidissem com estrelas de nêutrons. Outros pensaram que poderiam vir do colapso de estrelas massivas para se tornarem buracos negros. Na verdade, os cientistas se perguntaram se quasares, supernovas, pulsares e até mesmo aglomerados globulares poderiam ser a causa dos GRBs ou de alguma forma associados a eles.
GRBs são confusos porque suas curvas de luz são muito complexas. Não há dois idênticos. Mas os astrofísicos fizeram progressos e aprenderam algumas coisas. GRBs de curta duração são causados pela fusão de duas estrelas de nêutrons ou pela fusão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro. GRBs de longa duração são causados pelo colapso de uma estrela massiva e formação de um buraco negro.
Uma nova pesquisa na Nature examinou o ultraenergético GRB 221009A, apelidado de “BOAT: Brightest Of All Time”, e encontrou algo surpreendente. Quando foi inicialmente descoberto, os cientistas disseram que foi causado pelo colapso de uma estrela massiva em um buraco negro. A nova pesquisa não contradiz isso. Mas apresenta um novo mistério: porque é que não existem elementos pesados na supernova recentemente descoberta?
A pesquisa é “Detecção JWST de uma supernova associada ao GRB 221009A sem uma assinatura do processo r.” O autor principal é Peter Blanchard, bolsista de pós-doutorado do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA).
“O GRB era tão brilhante que obscureceu qualquer assinatura potencial de supernova nas primeiras semanas e meses após a explosão”, disse Blanchard. “Nesses momentos, o chamado brilho residual do GRB era como os faróis de um carro vindo direto em sua direção, impedindo que você visse o próprio carro. Então, tivemos que esperar que ela diminuísse significativamente para nos dar a chance de ver a supernova.”
“Quando confirmamos que o GRB foi gerado pelo colapso de uma estrela massiva, tivemos a oportunidade de testar uma hipótese sobre como alguns dos elementos mais pesados do Universo são formados”, disse o autor principal Blanchard. “Não vimos assinaturas desses elementos pesados, sugerindo que GRBs extremamente energéticos como o BOAT não produzem esses elementos. Isso não significa que todos os GRBs não os produzam, mas é uma informação fundamental à medida que continuamos a compreender de onde vêm estes elementos pesados. Observações futuras com o JWST determinarão se os primos ‘normais’ do BOAT produzem esses elementos.”
Os cientistas sabem que as explosões de supernovas criam elementos pesados. Eles são uma importante fonte de elementos desde o oxigênio (número atômico 8) até o rubídio (número atômico 37) no meio interestelar. Eles também produzem elementos mais pesados do que isso. Elementos pesados são necessários para formar planetas rochosos como a Terra e para a própria vida. Mas é importante notar que os astrofísicos não compreendem completamente como os elementos pesados são produzidos.
Os cientistas naturalmente se perguntaram se um GRB extremamente luminoso como o GRB 221009A produziria elementos ainda mais pesados. Mas não foi isso que eles encontraram.
“Este evento é particularmente emocionante porque alguns levantaram a hipótese de que uma explosão luminosa de raios gama como a do BOAT poderia produzir muitos elementos pesados como ouro e platina”, disse a segunda autora Ashley Villar, da Universidade de Harvard e do Centro de Astrofísica | Harvard e Smithsonian. “Se estivessem corretos, o BOAT deveria ter sido uma mina de ouro. É realmente impressionante que não tenhamos visto nenhuma evidência desses elementos pesados.”
As estrelas forjam elementos pesados por nucleossíntese. Três processos são responsáveis por isso: o processo p, o processo s e o processo r (processo de captura de prótons, processo lento de captura de nêutrons e processo rápido de captura de nêutrons). processo e é responsável por cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro. O processo r também é responsável pelos isótopos mais estáveis desses elementos pesados.
Isso é tudo para ilustrar a importância do processo r no Universo.
Os pesquisadores usaram o JWST para chegar ao fundo do GRB 221009A. O GRB foi obscurecido pela Via Láctea, mas o JWST detecta a luz infravermelha e vê através do gás e da poeira da Via Láctea. O NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do telescópio detecta elementos como oxigênio e cálcio, geralmente encontrados em supernovas. Mas as assinaturas não eram muito brilhantes, o que foi uma surpresa considerando o quão brilhante era a supernova.
“Não é mais brilhante do que as supernovas anteriores”, disse o autor principal Blanchard. “Parece bastante normal no contexto de outras supernovas associadas a GRBs menos energéticas. Você poderia esperar que a mesma estrela em colapso produzindo um GRB muito energético e brilhante também produziria uma supernova muito energética e brilhante. Mas acontece que não é esse o caso. Temos este GRB extremamente luminoso, mas uma supernova normal.”
A confirmação da presença da supernova foi um grande passo para a compreensão do GRB 221009A. Mas a falta de uma assinatura do processo R ainda é confusa.
Os cientistas apenas confirmaram o processo r na fusão de duas estrelas de nêutrons, chamada explosão de quilonova. Mas existem muito poucas fusões de estrelas de nêutrons para explicar a abundância de elementos pesados.
“Provavelmente existe outra fonte”, disse Blanchard. “Leva muito tempo para que estrelas binárias de nêutrons se fundam. Duas estrelas em um sistema binário primeiro precisam explodir para deixar para trás estrelas de nêutrons. Então, podem levar bilhões e bilhões de anos para que as duas estrelas de nêutrons se aproximem cada vez mais e finalmente se fundam. Mas observações de estrelas muito antigas indicam que partes do Universo foram enriquecidas com metais pesados antes que a maioria das estrelas binárias de nêutrons tivessem tempo de se fundir. Isso está nos apontando para um canal alternativo.”
Os investigadores questionam-se se supernovas luminosas como esta podem explicar o resto. As supernovas possuem uma camada interna onde elementos mais pesados poderiam ser sintetizados. Mas essa camada está obscurecida. Somente depois que as coisas se acalmam é que a camada interna fica visível.
“O material explodido da estrela é opaco nos primeiros tempos, por isso só podemos ver as camadas exteriores,” disse Blanchard. “Mas uma vez que se expande e esfria, torna-se transparente. Então podemos ver os fótons vindos da camada interna da supernova.”
Todos os elementos possuem assinaturas espectroscópicas, e o NIRSpec do JWST é um instrumento muito capaz. Mas não conseguiu detectar elementos mais pesados, mesmo na camada interna da supernova.
“Ao examinar o espectro do BOAT, não vimos nenhuma assinatura de elementos pesados, sugerindo que eventos extremos como GRB 221009A não são fontes primárias”, disse o autor principal, Blanshard. “Esta é uma informação crucial à medida que continuamos a tentar determinar onde os elementos mais pesados são formados.”
Os cientistas ainda não têm certeza sobre o GRB e a falta de elementos pesados. Mas há outra característica que pode oferecer uma pista: os jatos.
“Um segundo local proposto para o processo r é em núcleos de estrelas massivas em rotação rápida que colapsam num buraco negro em acreção, produzindo condições semelhantes às resultantes de uma fusão do BNS”, escrevem os autores no seu artigo. “Simulações teóricas sugerem que os fluxos de disco de acreção nesses chamados ‘colapsares’ podem atingir o estado rico em nêutrons necessário para que o processo r ocorra.”
Os “fluxos de disco de acreção” aos quais os pesquisadores se referem são jatos relativísticos. Quanto mais estreitos forem os jatos, mais brilhante e mais concentrada será sua energia.
Eles poderiam desempenhar um papel na forja de elementos pesados?
“É como focar o feixe de uma lanterna em uma coluna estreita, em oposição a um feixe amplo que atravessa uma parede inteira”, disse Laskar. “Na verdade, este foi um dos jactos mais estreitos observados até agora para uma explosão de raios gama, o que nos dá uma ideia da razão pela qual o brilho remanescente parecia tão brilhante. Pode haver outros fatores responsáveis também, uma questão que os pesquisadores estudarão nos próximos anos.”
Os pesquisadores também usaram o NIRSpec para coletar um espectro da galáxia hospedeira do GRB. Tem a metalicidade mais baixa de qualquer galáxia conhecida por hospedar um GRB. Isso poderia ser um fator?
“Este é um dos ambientes de metalicidade mais baixa de qualquer LGRB, que é uma classe de objetos que prefere galáxias de baixa metalicidade, e é, até onde sabemos, o ambiente de metalicidade mais baixa de um GRB-SN até o momento”, escrevem os autores. em suas pesquisas. “Isso pode sugerir que é necessária uma metalicidade muito baixa para produzir um GRB muito energético.”
A galáxia hospedeira também está formando estrelas ativamente. Essa é outra pista?
“O espectro mostra sinais de formação estelar, sugerindo que o ambiente de nascimento da estrela original pode ser diferente dos eventos anteriores”, disse Blanshard.
Yijia Li é estudante de pós-graduação na Penn State e coautora do artigo. “Este é outro aspecto único do BOAT que pode ajudar a explicar as suas propriedades”, disse Li. “A energia liberada no BOAT foi completamente fora de cogitação, um dos eventos mais energéticos que os humanos já viram. O facto de também parecer nascer de um gás quase primordial pode ser uma pista importante para a compreensão das suas propriedades superlativas.”
Este é outro caso em que a resolução de um mistério leva a outro sem resposta. O JWST foi lançado para responder a algumas das nossas questões fundamentais sobre o Universo. Ao confirmar que uma supernova está por trás do GRB mais poderoso já detectado, ela cumpriu parte do seu trabalho.
Mas também encontrou outro mistério e nos deixou na mão novamente.
O JWST está funcionando conforme planejado.
