Astronômos, após analisarem uma explosão de luz de longa duração e de alta energia em 2013, relataram ter encontrado características notavelmente parecidas com aquelas esperadas na explosão das primeiras estrelas do Universo.
© NASA/Swift/A. Simmonnet (ilustração da GRB 130925A)
Nesta imagem observa-se um casulo de gás quente e que emite raios X (vermelho) rodeiando um jato de partículas (branco) que atravessa a superfície de uma estrela quase à velocidade da luz.
Se esta interpretação estiver correta, a explosão valida ideias sobre uma classe recentemente identificada de explosão de raios gama (GRB, ou "gamma-ray burst") e serve para que os observatórios do futuro poderão ver como os atos finais das primeiras estrelas.
"Um dos grandes desafios da astrofísica moderna tem sido a busca de identificar a primeira geração de estrelas formadas no Universo, que chamamos de estrelas de População III," explica o cientista Luigi Piro, diretor de pesquisa do Instituto para Astrofísica Espacial e Planetologia em Roma, uma divisão do Instituto Nacional de Astrofísica da Itália.
As GRBs são as explosões mais luminosas do Universo. Estas emitem enormes quantidades de raios gama e raios X, e produzem brilhos remanescentes que desaparecem rapidamente e que podem ser observados nos comprimentos de onda visível, infravermelho e rádio. Em média, o satélite Swift da NASA, o telescópio espacial de raios gama Fermi e outros observatórios detectam aproximadamente uma GRB por dia.
No dia 25 de Setembro de 2013, o telescópio de alerta do Swift avistou um pico de raios gama oriundos de uma fonte na constelação da Fornalha. O observatório alertou automaticamente outros espalhados pela Terra de que uma nova explosão, designada GRB 130925A, devido à data, estava em andamento e apontou o seu telescópio de raios X em direção à fonte. Outros satélites detectaram a crescente onda de radiação altamente energética, incluindo o Fermi, o instrumento russo Konus a bordo da sonda Wind da NASA e o observatório INTEGRAL da ESA.
A explosão foi eventualmente localizada numa galáxia tão distante que a sua luz teve que viajar durante 3,9 bilhões de anos, anterior à evidência mais antiga de vida na Terra.
Os astrônomos já observaram milhares de GRBs ao longo das últimas cinco décadas. Até recentemente, estavam classificados em dois grupos, curtos e longos, com base na duração do sinal de raios gama. Pensa-se que as explosões curtas, com a duração de apenas dois segundos ou menos, representem a fusão de objetos compactos num sistema binário, em que os suspeitos mais prováveis são as estrelas de nêutrons e os buracos negros. As GRBs longas podem durar entre alguns segundos a vários minutos, com durações típicas entre 20 e 50 segundos. Pensa-se que estes eventos estejam associados com o colapso de uma estrela com muitas vezes a massa do Sol e, consequentemente, o nascimento de um novo buraco negro.
A GRB 130925A, em contraste, produziu raios gama durante 1,9 horas, uma duração mais de cem vezes superior a uma típica GRB de longa duração. As observações do telescópio de raios X do Swift revelaram um brilho remanescente intenso e altamente variável que exibiu fortes explosões durante seis horas, após as quais começou finalmente a desvanecer, como é costume com as GRBs longas.
"A GRB 130925A é um membro de uma classe rara e recentemente reconhecida que chamamos de explosões ultra-longas," afirma Eleonora Troja, pesquisadora do Goddard Space Flight Center da NASA, que fez parte da equipe de estudo. "Mas o que realmente o distingue é o seu brilho invulgar em raios X, que fornece o caso mais forte, até agora, de que as GRBs ultra-longas vêm de estrelas chamadas supergigantes azuis."
Os astrônomos pensam que as estrelas Wolf-Rayet explicam melhor a origem das GRBs longas. Com mais de 25 vezes a massa do Sol, estas estrelas são tão quentes que expulsam os seus invólucros exteriores de hidrogênio sob a forma de ventos estelares. Quando colapsam, a atmosfera exterior da estrela é essencialmente nula e o seu tamanho físico é comparável ao do Sol. Forma-se um buraco negro no núcleo da estrela e a matéria que cai na sua direção alimenta jatos que a estocam. Os jatos continuam operarando durante algumas dezenas de segundos, a escala de tempo das GRBs longas.
Tendo em conta que as GRBs ultra-longas duram centenas de vezes mais tempo, a estrela de origem deve ter um tamanho físico correspondentemente maior. O suspeito mais provável é uma supergigante azul, uma estrela quente com cerca de 20 vezes a massa do Sol, que mantém a sua profunda atmosfera de hidrogênio, atingindo 100 vezes o diâmetro da nossa estrela. As supergigantes azuis que contêm apenas uma pequena fracão de elementos mais pesados que o hélio podem ser substancialmente maiores. O conteúdo metálico de uma estrela controla a força do seu vento estelar e este, por sua vez, determina quanto da sua atmosfera de hidrogênio mantém antes do colapso. Para as maiores supergigantes azuis, o revestimento de hidrogênio demoraria horas a cair no buraco negro, proporcionando uma fonte de combustível sustentável para alimentar GRBs ultra-longas.
Os cientistas realçam que as observações rádio da GRB remanescente mostram que exibiu um brilho quase constante ao longo de um período de quatro meses. Este declínio extremamente lento sugere que a onda de choque da explosão movia-se pelo espaço essencialmente desimpedida, o que significa que o ambiente em torno da estrela estava em grande parte livre do material expelido pelos ventos estelares.
A longa duração da explosão em raios X provou ser uma característica mais intrigante de explicar, requerendo observações do Swift, do Observatório de raios X Chandra da NASA e do satélite XMM-Newton da ESA. À medida que os jatos altamente energéticos escavam a estrela em colapso, as suas frentes colidem com gás estelar mais frio e aquecem-no. Este gás flui para baixo dos lados do jato, rodeando-o numa camada quente de raios X. Dado que o jato viaja uma distância maior dentro das supergigantes azuis, este casulo torna-se mais maciço do que é possível numa estrela Wolf-Rayet. Embora o casulo cresça rapidamente à medida que sai da estrela, as evidências de raios X indicam que permaneceu intacto. A equipe científica sugere que os campos magnéticos podem ter suprimido o fluxo de gás quente em todo o casulo, mantendo-o confinado perto do jato.
"Esta é a primeira vez que detectamos este componente termal do casulo, provavelmente porque todas as outras explosões ultra-longas conhecidas ocorreram a distâncias ainda maiores," comenta Piro.
A melhor explicação para as propriedades invulgares da GRB 130925A é que anunciou a morte de uma supergigante azul pobre em componentes metálicos, um modelo que provavelmente caracteriza toda a classe ultra-longa.
As estrelas fabricam elementos pesados ao longo da sua vida e durante as suas fases finais em explosões de supernova e GRBs. Cada geração enriquece o gás interestelar com uma proporção maior de metais, mas o processo não é uniforme e as galáxias pobres em metais ainda existem nas proximidades. Ao olharmos para mais longe no Universo, significa que estamos olhando mais profundamente no passado, para as primeiras gerações estelares que se formaram a partir de gases pobres em metais. As estrelas da População III terminaram as suas vidas como supergigantes azuis, e assim a GRB 130925A pode vir a ser um análogo próximo e valioso para fenômenos que podemos um dia detectar nas estrelas mais distantes do Universo.
Um artigo sobre o assunto sai na revista The Astrophysical Journal Letters.
Fonte: NASA e ESA
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