Explosões extralongas desafiam nossas teorias de cataclismos cósmicos | Revista Quanta

Em 11 de dezembro de 2021, um feixe de raios gama – a forma de luz mais energética – atingiu o satélite Swift da NASA. Em 120 segundos, o satélite girou em direção à explosão e avistou as brasas brilhantes de uma catástrofe cósmica. Dez minutos depois, alertas foram enviados para astrônomos de todo o mundo.

Entre eles estava Jillian Rastinejad, um estudante de pós-graduação na Northwestern University. Para Rastinejad e seus colaboradores, esta explosão de raios gama parecia estranhamente semelhante a uma explosão incomum de 2006. Rastinejad ligou para o Observatório Gemini no Havaí e recrutou pesquisadores para observar profundamente a parte do céu de onde a explosão veio. Poucos dias depois, quando as nuvens surgiram, uma pesquisadora do Observatório MMT, no Arizona, assumiu o comando, fazendo o possível para manter o telescópio apontado para o ponto de luz desbotado a um bilhão de anos-luz de distância.

Não foi pouca coisa, visto que o tempo também estava mudando lá, disse Rastinejad. “Ela encontrou um buraco nas nuvens para nós por volta das 4 da manhã, todos os dias.”

Quando a cadeia de observações terminou, cerca de uma semana depois, Rastinejad e os seus colegas tinham uma boa ideia do que tinha disparado aqueles raios gama por todo o Universo. Enquanto observavam, o resultado da explosão tornou-se cada vez mais vermelho – um sinal inequívoco de que, nos escombros, átomos pesados ​​como ouro e platina estavam sendo forjados. A principal fonte dessa alquimia cósmica são as colisões envolvendo estrelas de nêutrons, os núcleos inimaginavelmente densos de sóis mortos.

O único problema era que tal conclusão parecia impossível. Quando as estrelas de nêutrons se fundem, suspeitam os astrofísicos, tudo acaba em uma fração de segundo. Mas Swift registrou um bombardeio de raios gama com duração relativamente interminável de 51 segundos – normalmente a assinatura de um tipo muito diferente de drama cósmico.

Desde então, os astrónomos identificaram mais eventos como este. A mais recente ocorreu em março, quando a segunda explosão de raios gama mais brilhante já detectada durou 35 segundos. Mais uma vez, os astrônomos observaram as consequências avermelhadas de uma colisão de estrela de nêutrons. Eles também recrutaram o Telescópio Espacial James Webb para estudar a explosão bizarra e detectou sinais do elemento pesado telúrio na poeira assentada.

Em conjunto, a série de observações traz um novo mistério a uma área da astronomia que a maioria dos investigadores considerava resolvida: o que faz com que estes eventos supostamente rápidos e violentos emitam raios gama durante tanto tempo? É um quebra-cabeça que os astrofísicos terão de resolver se quiserem atingir o objetivo mais ambicioso de compreender as origens de todos os diferentes elementos do universo, muitos dos quais nascem destas explosões violentas.

“Fiquei muito animado para ver isso”, disse Daniel Kasen, astrofísico da Universidade da Califórnia, Berkeley, especializado em explosões cósmicas. “É um verdadeiro quebra-cabeça.”

Guerra Fria, Explosões Brilhantes

Hoje, o Swift capta uma explosão de raios gama a cada poucos dias. Mas as explosões eram desconhecidas até o auge da Guerra Fria, quando surgiram do nada. Na década de 1960, a Força Aérea dos EUA lançou os satélites Vela para garantir que a União Soviética cumpria a proibição de testes de armas nucleares. Se os soviéticos detonassem uma bomba nuclear no espaço, o flash resultante de raios gama – ondas energéticas de luz tão curtas como o núcleo de um átomo – seria impossível de esconder.

Os satélites não detectaram quaisquer violações soviéticas. Mas entre 1969 e 1972, eles recuperaram 16 flashes misteriosos de raios gama que os pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos determinaram ser de “origem cósmica”.

Nas décadas seguintes, a NASA iniciou a investigação. A agência espacial lançou um satélite dedicado de caça a explosões em 1991, e nos nove anos seguintes, detectou quase 3,000 explosões de raios gama. Os eventos ocorreram em duas variedades: curtos e longos. A maioria das rajadas curtas durou menos de um segundo, enquanto muitas rajadas longas duraram um minuto ou mais (a linha divisória entre os dois sabores chega em cerca de dois segundos).

O que quer que estivesse causando essas explosões parecia catastrófico; em menos de metade da duração de uma canção pop, emitiram quase tanta energia como o nosso sol produz ao longo de milhares de milhões de anos. O que poderia brilhar tão intensamente? Os astrofísicos inicialmente não tinham certeza, mas as tremendas energias envolvidas apontavam para cataclismos que acabariam com o mundo. E as duas durações sugeriam dois tipos de catástrofes, uma mais rápida, que durava cerca de um segundo, e outra (um pouco) mais lenta, que se desenrolava ao longo de um minuto.

Os astrónomos descobriram primeiro a origem das explosões mais lentas. No final da década de 1990, quando os investigadores melhoraram a identificação da direção de origem da explosão, começaram a captar brilhos que sugeriam explosões cósmicas. Então, em 2003, os astrônomos que observaram um brilho próximo viram o fogos de artifício brilhantes de uma supernova poucos dias depois de uma longa explosão de raios gama: A explosão sinalizou o primeiro estágio da morte de uma estrela gigante.

Compreender o cataclismo mais rápido exigiria mais uma década e ferramentas mais precisas. O instrumento inovador provou ser o satélite Swift da NASA. Lançado em 2004, o Swift apresentava uma placa de chumbo padronizada com um metro de comprimento que podia captar raios gama de uma ampla faixa do céu. Crucialmente, também possuía a capacidade única de girar rapidamente um par de telescópios a bordo na direção de quaisquer explosões astronômicas. (De acordo com a tradição entre os cientistas do Swift, esta tecnologia de apontar e disparar foi parcialmente desenvolvida para outro projecto de defesa da Guerra Fria: a Iniciativa de Defesa Estratégica de Ronald Reagan – informalmente conhecida como “Guerra nas Estrelas” – que tinha como objectivo abater mísseis nucleares em pleno voo. )

Com o Swift, os astrônomos puderam agora observar uma explosão em dois minutos – rápido o suficiente para captar pela primeira vez o brilho residual de pequenas explosões de raios gama. Enquanto observavam o flash inicial desaparecer, os astrônomos também viram sinais de uma explosão que se seguiu, que ficou mais vermelha com o tempo. Os astrofísicos logo calcularam que esta vermelhidão era esperada após uma fusão envolvendo uma estrela de nêutrons (que poderia ser uma colisão entre duas estrelas de nêutrons ou entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro). Tal colisão expeliria detritos que bloqueariam comprimentos de onda de luz mais curtos e azuis. A correspondência dessas explosões, chamadas de quilonovas, com os breves flashes de raios gama que os precederam forneceu fortes evidências circunstanciais de que as fusões de estrelas de nêutrons foram a curta catástrofe.

Evidência direta ocorreu em 17 de agosto de 2017. Duas estrelas de nêutrons próximas colidiram e sacudiram a estrutura do espaço-tempo, produzindo ondas gravitacionais que o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) pôde detectar. Ao ler as informações codificadas nessas ondulações, os cientistas calculariam mais tarde as massas dos objetos em colisão e descobririam que eram estrelas de nêutrons. Logo após a chegada das ondas gravitacionais, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi captou uma explosão de raios gama de dois segundos de duração. E nos dias seguintes, os astrónomos observaram o avermelhamento revelador de uma quilonova no mesmo local da explosão de raios gama. O três observações consecutivas deixou pouco espaço para dúvidas: explosões curtas poderiam vir de fusões de estrelas de nêutrons.

“Isso consolidou tudo”, disse Brian Metzger, astrofísico da Universidade de Columbia e um dos teóricos que primeiro previu como seria a quilonova após uma fusão. “[Pensamos] 'OK, esta imagem realmente faz sentido.'”

Essa imagem agora está começando a se fragmentar.

Uma reviravolta no terceiro ato

Primeiro veio o de Rastinejad Explosão de 51 segundos no final de 2021. Parecia muito com uma longa explosão próxima de 2006 que, intrigantemente, parecia não ter uma supernova. Mas com instrumentos modernos e uma compreensão mais profunda do que procurar, Rastinejad e colegas conseguiram ver o que os astrónomos em 2006 não conseguiram: a explosão de 2021 foi seguida por uma fraca quilonova vermelha.

Essa observação estimulou André Levan da Universidade Radboud para revisitar uma misteriosa explosão de 64 segundos que ele vinha intrigando desde 2019. A explosão ocorreu no coração de uma antiga galáxia onde o nascimento e a morte de estrelas (na forma de supernovas) cessaram há muito tempo. Em junho, Levan e seus colaboradores argumentaram que a explicação mais provável para a sua longa explosão era que dois cadáveres estelares — pelo menos um dos quais era provavelmente uma estrela de neutrões — se tinham encontrado e fundido.

E agora, o Telescópio Espacial James Webb forneceu a visão mais clara do que acontece depois de uma explosão anômala. Quando a explosão de 35 segundos atingiu a Terra em 7 de março, a placa de chumbo com detecção de raios gama do Swift estava voltada para uma direção diferente. Os raios energéticos foram detectados principalmente pelo Fermi, que a classificou como a segunda explosão de raios gama mais brilhante de todos os tempos (seguindo um evento recorde em 2022).

Em vez do Swift, os astrónomos usaram uma frota interplanetária de naves espaciais (incluindo sondas em Marte e Mercúrio) para identificar a posição da explosão. Nos dias seguintes, quando os telescópios no solo viram novamente o avermelhamento característico de uma quilonova, Levan rapidamente disparou um pedido de emergência para uma observação do evento pelo JWST quase em tempo real. “Felizmente para nós, eles disseram que sim”, disse Levan. “Isso nos permitiu obter essas observações cerca de um mês após a explosão inicial.”

O JWST coletou uma abundância de dados do campo de destroços ondulantes. Os telescópios ópticos não conseguem ver profundamente a espessa nuvem de quilonova precisamente pela razão pela qual o evento cativa os astrofísicos: ele expele átomos gigantes que bloqueiam a luz através de uma cadeia misteriosa de eventos conhecida como r-processo.

As estrelas normalmente fundem átomos de hidrogênio em hélio e depois fundem átomos mais leves em átomos um pouco mais pesados, como oxigênio e carbono. O r-processo é uma das únicas maneiras de saltar direto para os elementos mais pesados ​​que ocorrem naturalmente. Isso ocorre porque uma colisão de estrelas de nêutrons cria um denso redemoinho de nêutrons. No caos, os nêutrons penetram repetidamente nos núcleos atômicos, formando átomos altamente instáveis ​​e radioativos. À medida que os nêutrons nesses átomos decaem, eles se transmutam em prótons. Se você tiver 78 prótons, isso é um átomo de platina. Se você obtiver 79 prótons, isso é ouro.

Os átomos volumosos forjados por uma poeira de estrela de nêutrons bloqueiam a luz visível e brilham principalmente na luz infravermelha. É por isso que o JWST — um telescópio infravermelho — era tão adequado para observar uma nuvem quilonova. “Nunca observamos uma quilonova com o JWST antes”, disse Metzger. “É o instrumento perfeito.”

Nos detritos, o JWST detectou átomos de telúrio (52 prótons), o que confirma que as fusões de estrelas de nêutrons podem forjar os elementos bastante pesados ​​no final da quinta linha da tabela periódica. “É um elemento muito mais pesado do que os que vimos antes”, disse Levan.

Mas, ao mesmo tempo, a observação do JWST contribui para a crescente constatação de que, independentemente de quão improvável possa parecer, as fusões envolvendo estrelas de neutrões podem produzir longas explosões de raios gama. A questão agora é: como?

Objetos densos, rajadas longas

As supernovas emitem longas explosões de raios gama porque as explosões estelares são relativamente lentas e confusas. A morte de uma estrela gigante começa com o colapso do seu centro em um buraco negro. Depois que isso acontece, uma quantidade substancial de matéria estelar externa - talvez somando a massa de vários sóis - espirala para dentro do buraco negro, lançando poderosos jatos de partículas que disparam raios gama no vazio por vários minutos.

As fusões de estrelas de nêutrons, por outro lado, deveriam terminar num piscar de olhos. Uma estrela de nêutrons agrupa a massa de um sol ou algo assim em uma esfera minúscula e lisa com apenas alguns quilômetros de diâmetro. Quando duas dessas esferas densas colidem – ou quando uma delas colide com um buraco negro – a matéria colapsa formando um buraco negro. Durante esse espasmo final, muito menos matéria restante é lançada em órbita do que no caso de um colapso estelar. À medida que o buraco negro devora este lanche leve, que pode pesar 10 vezes menos que o Sol, ele alimenta brevemente jatos (e uma explosão de raios gama) que duram décimos de segundo.

As novas observações de Levan, Rastinejad e outros colidem com esta imagem rápida e limpa de fusões de estrelas de nêutrons. “Não faz sentido ter uma explosão de 10 segundos de um sistema que vive apenas uma fração de segundo”, disse Minério Gottlieb, um astrofísico computacional do Flatiron Institute que não esteve envolvido nas observações.

Uma possibilidade é que algo maior e mais confuso do que estrelas de nêutrons esteja enviando essas explosões duradouras. Em particular, a sua duração mais longa ajustar-se-ia mais naturalmente a uma fusão entre uma anã branca - um tipo maior de cadáver estelar deixado para trás quando uma pequena estrela fica sem combustível - e um buraco negro ou estrela de neutrões. Esse cenário resulta em mais matéria em torno de um buraco negro. Mas não está claro se as colisões envolvendo anãs brancas produziriam os tipos certos de explosões de raios gama, ou mesmo quilonovas. “Todo o fenómeno foi muito menos estudado”, disse Kasen, de Berkeley. “Estamos trabalhando nisso agora.”

Outra opção é que as longas explosões de raios gama não venham de um banquete de buracos negros recém-nascidos. Em vez disso, se você colidir duas pequenas estrelas de nêutrons e a bolha resultante girar rápido o suficiente, ela poderá resistir ao colapso em um buraco negro por alguns minutos. O objeto de vida curta seria uma estrela de nêutrons altamente magnetizada – um “magnetar” – que emitiria uma explosão mais longa de raios gama à medida que seu giro diminuísse. Metzger ajudou a concretizar este cenário, mas até ele considera que é uma noção radical. “Ainda estou meio cético em relação a isso”, disse ele.

A possibilidade mais conservadora, disse Metzger, é que as fusões envolvendo estrelas de nêutrons sejam apenas mais confusas do que os astrofísicos pensavam. Durante o verão, simulações detalhadas de uma colaboração liderada por Gottlieb sugeriu que esse poderia ser o caso com frequência. Em particular, quando uma estrela de nêutrons leve se encontra com um buraco negro giratório suficientemente pesado, a estrela de nêutrons entra em espiral e o buraco negro a despedaça ao longo de centenas de órbitas, deixando um disco mais pesado de material que o buraco negro precisa de dezenas de segundos para consumir. . Ao simular colisões entre estrelas de nêutrons e buracos negros, Gottlieb, Metzger e colaboradores descobriram que discos mais pesados ​​que provocavam explosões mais longas de raios gama eram bastante comuns.

Na verdade, numa reviravolta irónica, as suas simulações não produziram as rajadas curtas, frequentemente observadas, tão prontamente como produziam as rajadas longas, levantando questões sobre o que exatamente alimenta as rajadas curtas.

“Não entendemos [totalmente] essas coisas”, disse Gottlieb. “Acho que este é provavelmente o maior problema agora.”

Preenchendo as lacunas

Para descobrir o que realmente acontece quando estrelas mortas colidem, os astrônomos precisarão redobrar seus esforços para construir um catálogo detalhado de explosões de raios gama, uma vez que o que eles presumiram ser um lote de explosões causadas principalmente por supernovas agora parece estar misturado. com algum número desconhecido de fusões de estrelas de nêutrons. Isso exigirá a caça às quilonovas – a assinatura das colisões – após rajadas longas e curtas. Se a distinção entre longo e curto persistir, pode ser um sinal de que há mais de uma maneira de preparar uma quilonova.

“Estamos aprendendo que sempre que há um evento relativamente próximo, devemos ir em frente”, disse Rastinejad.

O LIGO também desempenhará um papel crítico. O observatório estava offline para atualizações durante essas recentes explosões estranhas, mas atualmente está no meio de sua quarta execução, ouvindo as colisões distantes. Se o LIGO puder captar ondas gravitacionais provenientes de uma longa explosão de raios gama, os cientistas saberão se estão envolvidas estrelas de nêutrons ou buracos negros. Isto também lhes permitirá descartar anãs brancas, que não tornam as ondas gravitacionais detectáveis ​​pelo LIGO. Movimentos detalhados nas ondas em observatórios futuros podem até oferecer dicas sobre se o produto imediato era um magnetar ou um buraco negro.

“[As ondas gravitacionais] serão realmente o único caminho definitivo nesta questão”, disse Metzger.

Ao sentirem os estrondos gravitacionais das fusões de estrelas de neutrões e observarem explosões de raios gama e quilonovas, os astrofísicos poderão eventualmente atingir o seu objectivo a longo prazo de explicar plenamente a origem de todas as substâncias no Universo – desde o hidrogénio à platina e ao plutónio. Para fazer isso, eles precisam saber que tipos de fusões acontecem, qual a frequência de cada tipo, quais elementos cada tipo produz e em que quantidades, e qual o papel que outros eventos como as supernovas desempenham. É uma tarefa assustadora que está apenas começando.

“Ainda existe um objetivo central de descobrir os locais astrofísicos onde cada elemento da tabela periódica é formado”, disse Levan. “Ainda há espaços em branco e, portanto, achamos que isso está começando a preencher vários desses espaços importantes.”

Nota do editor: O Flatiron Institute é financiado pela Simons Foundation, que também financia esta revista editorialmente independente. Nem o Flatiron Institute nem a Simons Foundation têm qualquer influência sobre a nossa cobertura. Mais informações disponíveis SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA.