Duas estrelas de nêutrons começam a se fundir no conceito deste artista, lançando jatos de partículas em alta velocidade. Eventos de colisão como este criam pequenas explosões de raios gama. Crédito: Sonoma State Univ./A. Simonnet; NASA
Descobertos inadvertidamente, os GRBs tornaram-se fundamentais para a compreensão dos eventos cósmicos, desde buraco negro formação à estrutura do universo, através de seu imenso poder e do estudo de seus reflexos.
Os eventos mais poderosos no universo conhecido – explosões de raios gama (GRBs) – são explosões de curta duração da luz de maior energia. Eles podem entrar em erupção com um quintilhão (10 seguido de 18 zeros) vezes a luminosidade do nosso Sol. Agora pensados para anunciar o nascimento de novos buracos negros, eles foram descobertos por acidente.
A história nos leva a 1963, quando a Força Aérea dos EUA lançou os satélites Vela para detectar raios gama de testes de armas nucleares proibidos. Os Estados Unidos tinham acabado de assinar um tratado com o Reino Unido e a União Soviética para proibir testes na atmosfera terrestre, e os satélites Vela garantiram o cumprimento por todas as partes. Em vez disso, os satélites encontraram 16 eventos de raios gama.
Em 1973, os cientistas puderam descartar que tanto a Terra como o Sol fossem as fontes destas erupções brilhantes. Foi quando os astrónomos do Laboratório Nacional de Los Alamos publicaram o primeiro artigo anunciando que estas explosões se originam fora do nosso sistema solar.
Cientistas em NASAO Goddard Space Flight Center da NASA confirmou rapidamente os resultados através de um detector de raios X no satélite IMP 6. Seriam necessárias mais duas décadas e contribuições do BeppoSax da Agência Espacial Italiana e do Observatório de Raios Gama Compton da NASA para mostrar que estas explosões ocorrem muito além da nossa Terra. via Láctea galáxia, estão distribuídos uniformemente pelo céu e são extraordinariamente poderosos. O GRB mais próximo já registrado ocorreu a mais de 100 milhões de anos-luz de distância.
Embora descobertos por acaso, os GRBs provaram ser inestimáveis para os pesquisadores de hoje. Estes flashes de luz são ricos em informações sobre fenómenos como o fim da vida de estrelas muito massivas ou a formação de buracos negros em galáxias distantes.
Ainda assim, ainda existem muitas jóias científicas para descobrir. Em 2017, os GRBs foram vinculados pela primeira vez a ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço-tempo – guiando-nos para uma melhor compreensão de como estes eventos funcionam.
Conforme uma estrela de grande massa explode no conceito deste artista, ela produz um jato de partículas de alta energia. Vemos GRBs quando eles apontam quase diretamente para a Terra. Crédito: NASA/Swift/Cruz deWilde
O longo e o curto prazo dos GRBs
Os astrônomos separam os GRBs em duas classes principais: eventos curtos (onde a explosão inicial de raios gama dura menos de dois segundos) e eventos longos (com duração de dois segundos ou mais).
Explosões mais curtas também produzem menos raios gama em geral, o que leva os investigadores a levantar a hipótese de que as duas classes se originaram de sistemas progenitores diferentes.
Os astrônomos agora associam explosões curtas à colisão de duas estrelas de nêutrons ou de uma estrela de nêutrons. Estrêla de Neutróns e um buraco negro, resultando em um buraco negro e uma explosão de curta duração. GRBs curtos são por vezes seguidos por quilonovas, luz produzida pelo decaimento radioativo de elementos químicos. Essa decadência gera elementos ainda mais pesados, como ouro, prata e platina.
Explosões longas estão ligadas à morte explosiva de estrelas massivas. Quando uma estrela de grande massa fica sem combustível nuclear, o seu núcleo entra em colapso e depois ricocheteia, conduzindo uma onda de choque através da estrela. Os astrônomos veem esta explosão como uma supernova. O núcleo pode formar uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.
Em ambas as classes, o buraco negro recém-nascido emite jatos em direções opostas. Os jatos, feitos de partículas aceleradas quase à velocidade da luz, perfuram e eventualmente interagem com o material circundante, emitindo raios gama quando o fazem.
Este esboço geral não é a última palavra, no entanto. Quanto mais os astrônomos estudam GRBs, maior é a probabilidade de encontrarem eventos que desafiem as classificações atuais.
Em agosto de 2020, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA rastreou uma explosão de segunda duração chamada GRB 200826A, a mais de 6 bilhões de anos-luz de distância. Deveria ter se enquadrado na classe short-burst, desencadeada por fusões de objetos compactos. No entanto, outras características deste evento – como a supernova que criou – sugeriram que se originou do colapso de uma estrela massiva. Os astrónomos pensam que esta explosão pode ter fracassado antes de atingir a duração típica de explosões longas.
Fermi e o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA capturaram seu número oposto, GRB 211211A, em dezembro de 2021. Localizada a um bilhão de anos-luz de distância, a explosão durou cerca de um minuto. Embora isso o torne um GRB longo, foi seguido por uma quilonova, o que sugere que foi desencadeado por uma fusão. Alguns pesquisadores atribuem as estranhezas desta explosão à fusão de uma estrela de nêutrons com um buraco negro parceiro.
À medida que os astrônomos descobrem mais explosões que duram várias horas, ainda pode haver uma nova classe em formação: GRBs ultralongas. A energia criada pela morte de uma estrela de grande massa provavelmente não conseguirá sustentar uma explosão durante tanto tempo, por isso os cientistas devem procurar origens diferentes.
Alguns pensam que explosões ultralongas ocorrem a partir de magnetares recém-nascidos – estrelas de neutrões com taxas de rotação rápidas e campos magnéticos mil vezes mais fortes que a média. Outros dizem que esta nova classe exige o poder dos maiores residentes estelares do universo, as supergigantes azuis. Os pesquisadores continuam a explorar GRBs ultralongos.
A Wide Field Camera 3 do Telescópio Espacial Hubble revelou o brilho infravermelho (circulado) de GRB 221009A e sua galáxia hospedeira, vista quase de lado como uma faixa de luz que se estende para o canto superior esquerdo da explosão. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Processamento de imagem: Gladys Kober
Afterglows lançando nova luz
Embora os raios gama sejam a forma de luz mais energética, certamente não são os mais fáceis de detectar. Nossos olhos veem apenas uma faixa estreita do espectro eletromagnético. O estudo de qualquer luz fora dessa faixa, como os raios gama, depende fortemente dos instrumentos que nossos cientistas e engenheiros desenvolvem. Esta necessidade de tecnologia, juntamente com a natureza já passageira dos GRBs, tornou as rajadas mais difíceis de estudar nos primeiros anos.
O brilho residual GRB ocorre quando o material nos jatos interage com o gás circundante.
Afterglows emitem luz de rádio, infravermelho, óptica, UV, raios X, bem como raios gama, que fornecem mais dados sobre a explosão original. Os brilhos remanescentes também duram horas ou dias (ou até anos) a mais do que sua explosão inicial, criando mais oportunidades de descoberta.
O estudo dos brilhos residuais tornou-se fundamental para deduzir as forças motrizes por trás das diferentes explosões. Em longas explosões, à medida que o brilho residual diminui, os cientistas eventualmente vêem a fonte brilhar novamente à medida que a supernova subjacente se torna detectável.
Embora a luz seja o viajante mais rápido do universo, ela não pode chegar até nós instantaneamente. No momento em que detectamos uma explosão, milhões a milhares de milhões de anos podem ter passado, o que nos permite sondar parte do Universo primitivo através de brilhos distantes.
Estourando com descoberta
Apesar da extensa pesquisa realizada até agora, nossa compreensão dos GRBs está longe de ser completa. Cada nova descoberta acrescenta novas facetas aos modelos de explosão de raios gama dos cientistas.
Fermi e Swift descobriram um desses eventos revolucionários em 2022 com GRB 221009A, uma explosão tão brilhante que cegou temporariamente a maioria dos instrumentos de raios gama baseados no espaço. Prevê-se que uma GRB desta magnitude ocorra uma vez a cada 10.000 anos, tornando-se provavelmente o evento de maior luminosidade testemunhado pela civilização humana. Os astrônomos o apelidaram de o mais brilhante de todos os tempos – ou o BARCO.
Esta é uma das explosões longas mais próximas já observadas no momento da sua descoberta, oferecendo aos cientistas uma visão mais detalhada do funcionamento interno não apenas dos GRBs, mas também da estrutura da Via Láctea. Ao observar o BOAT, eles descobriram ondas de rádio ausentes em outros modelos e traçaram reflexões de raios X para mapear as nuvens de poeira ocultas da nossa galáxia.
O Observatório Neil Gehrels Swift da NASA detectou raios X do flash inicial de GRB 221009A durante semanas, enquanto a poeira em nossa galáxia espalhava a luz de volta para nós, mostrada aqui em cores arbitrárias. Crédito: NASA/Swift/A. Beardmore (Universidade de Leicester)
Os GRBs também nos conectam a um dos mensageiros mais procurados do universo. As ondas gravitacionais são distorções invisíveis do espaço-tempo, nascidas de eventos cataclísmicos como colisões de estrelas de nêutrons. Pense no espaço-tempo como o cobertor abrangente do universo, com as ondas gravitacionais como ondulações flutuando através do material.
Em 2017, Fermi detectou o flash de raios gama de uma fusão de estrela de nêutrons apenas 1,7 segundos depois que ondas gravitacionais foram detectadas na mesma fonte. Depois de viajar 130 milhões de anos-luz, as ondas gravitacionais atingiram a Terra pouco antes dos raios gama, provando que as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz.
Os cientistas nunca haviam detectado a jornada conjunta da luz e das ondas gravitacionais até a Terra. Esses mensageiros combinados pintam um quadro mais vívido da fusão de estrelas de nêutrons.
Com a investigação contínua, o nosso conhecimento em constante evolução dos GRBs poderá desvendar a estrutura invisível do nosso universo. Mas a explosão real é apenas a ponta do iceberg. Uma infinidade de informações surge logo abaixo da superfície, pronta para a colheita.
