A explosão de raios gama mais brilhante já observada

Em outubro de 2022, os astrônomos ficaram surpreendidos com a mais brilhante explosão de raios gama (GRB, sigla inglesa para "gamma-ray burst"), rapidamente apelidada de BOAT ("brightest of all time", a mais brilhante de todos os tempos).

© NASA (jato de partículas emerge de estrela massiva)

Agora, cientistas relatam que os dados do telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA revelam uma característica nunca antes vista. Poucos minutos após a erupção da BOAT, o GBM (Gamma-ray Burst Monitor) do Fermi registrou um pico de energia incomum. 

Quando a matéria interage com a luz, a energia pode ser absorvida e reemitida de formas características. Estas interações podem aumentar ou diminuir o brilho de determinadas cores (ou energias), produzindo características chave visíveis quando a luz é espalhada, como um arco-íris, num espectro. Estas características podem revelar uma grande quantidade de informações, como por exemplo os elementos químicos envolvidos na interação. 

A energias mais elevadas, as características espectrais podem revelar processos específicos de partículas, como a aniquilação de matéria e antimatéria para produzir raios gama. Embora alguns estudos anteriores tenham relatado possíveis evidências de características de absorção e emissão em outras GRBs, o escrutínio subsequente revelou que tudo isto poderia ser apenas flutuações estatísticas.

As GRBs são as explosões mais poderosas do cosmos e emitem grandes quantidades de raios gama, a forma mais energética de luz. O tipo mais comum ocorre quando o núcleo de uma estrela massiva esgota o seu combustível, entra em colapso e forma um buraco negro que gira rapidamente. A matéria que cai no buraco negro gera jatos de partículas com direções opostas que atravessam as camadas exteriores da estrela quase à velocidade da luz. 

As GRBs foram detectadas quando um destes jatos aponta quase diretamente para a Terra. A BOAT, formalmente conhecida como GRB 221009A, entrou em erupção no dia 9 de outubro de 2022 e saturou imediatamente a maioria dos detectores de raios gama em órbita, incluindo os do Fermi. Isto impediu os cientistas de medir a parte mais intensa da explosão. As observações reconstruídas, juntamente com argumentos estatísticos, sugerem que a BOAT, se fizer parte da mesma população de GRBs anteriormente detectadas, foi provavelmente a explosão mais brilhante que apareceu nos céus da Terra em 10.000 anos. 

A suposta linha de emissão aparece quase 5 minutos depois da explosão ter sido detectada e muito depois de ter escurecido o suficiente para acabar com os efeitos de saturação no Fermi. A linha persistiu durante pelo menos 40 segundos e a emissão atingiu um pico de energia de cerca de 12 MeV (milhões de elétrons-volt). Para comparação, a energia da luz visível varia entre 2 e 3 elétrons-volt. 

Então, o que é que produziu esta característica espetral? A equipe considera que a fonte mais provável é a aniquilação de elétrons e dos seus homólogos antimatéria, os pósitrons. Quando um elétron e um pósitron colidem, aniquilam-se, produzindo um par de raios gama com uma energia de 0,511 MeV. A matéria no jato se move quase à velocidade da luz, esta emissão sofre um grande desvio para o azul e é empurrada para energias muito mais elevadas. Se esta interpretação estiver correta, para produzir uma linha de emissão com um pico de 12 MeV, as partículas aniquiladoras deveriam estar se movendo na nossa direção a cerca de 99,9% da velocidade da luz. 

Um artigo foi publicado na revista Science. 

Fonte: NASA

Revelada a maior explosão cósmica jamais vista

Uma equipe de astrônomos liderada por pesquisadores da Universidade de Southampton descobriu a maior explosão cósmica jamais testemunhada.

© John Paice (ilustração da acreção de um buraco negro)

A explosão é mais de 10 vezes mais brilhante do que qualquer supernova conhecida. A explosão, conhecida como AT2021lwx, durou até agora mais de três anos, em comparação com a maioria das supernovas que só permanecem visivelmente brilhantes durante alguns meses. Ocorreu há quase 8 bilhões de anos, quando o Universo tinha cerca de 6 bilhões de anos, e está localizada na direção da constelação de Raposa. 

A AT2021lwx foi detectada pela primeira vez em 2020 pelo ZTF (Zwicky Transient Facility) na Califórnia e foi subsequentemente detectado pelo ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System), sediado no Havaí. Estas instalações observam o céu noturno para detectar objetos transientes que mudam rapidamente de brilho, indicando eventos cósmicos como supernovas, bem como encontrando asteroides e cometas. 

Até agora, a escala da explosão era desconhecida. A equipe investigou o objeto com vários telescópios diferentes: o Observatório Neil Gehrels Swift, o NTT (New Technology Telescope) no Chile e o GTC (Gran Telescopio Canarias) em La Palma, Espanha. Os pesquisadores pensam que a explosão é o resultado de uma vasta nuvem de gás, possivelmente milhares de vezes maior do que o nosso Sol, que foi violentamente perturbada por um buraco negro supermassivo. Fragmentos da nuvem teriam sido engolidos, enviando ondas de choque através dos seus remanescentes, bem como para uma grande fração poeirenta em forma de rosquinha que rodeia o buraco negro. 

Estes eventos são muito raros e nunca antes se tinha visto nada a esta escala. No ano passado, os astrônomos testemunharam a explosão mais brilhante de que há registo, uma explosão de raios gama denominada GRB 221009A. Embora esta tenha sido mais brilhante do que AT2021lwx, durou apenas uma fração do tempo, o que significa que a energia total liberada pela explosão de AT2021lwx é muito maior. A dimensão física da explosão é cerca de 100 vezes maior do que todo o Sistema Solar e, no seu máximo brilho, foi cerca de 2 trilhões de vezes mais brilhante do que o Sol. 

As únicas coisas no Universo que são tão brilhantes como AT2021lwx são os quasares, ou seja, buracos negros supermassivos com um fluxo constante de gás caindo sobre eles a alta velocidade. Existem diferentes teorias sobre o que poderia ter causado tal explosão, mas considera-se que a explicação mais viável é uma nuvem extremamente grande de hidrogênio gasoso ou poeira que se desviou da sua órbita em torno do buraco negro supermassivo e que foi puxada para o centro do sistema.

A equipe está agora tentando recolher mais dados sobre a explosão, observando o objeto em diferentes comprimentos de onda, incluindo raios X, que poderão revelar a temperatura do objeto e os processos que poderão estar ocorrendo à superfície. Também vão efetuar simulações computacionais atualizadas para testar se estas correspondem à sua teoria sobre o que provocou a explosão.

Com novas instalações, como o LSST (Legacy Survey of Space and Time) do Observatório Vera Rubin entrando em funcionamento nos próximos anos, espera-se descobrir mais eventos como este e aprender mais sobre eles. É possível que estes acontecimentos, embora extremamente raros, sejam tão energéticos que são fundamentais da forma como os centros galácticos mudam ao longo do tempo. Uma vez conhecida a distância ao objeto e quão brilhante parece ser, é possível calcular o brilho do objeto na sua origem. Depois de efetuar estes cálculos, percebeu-se que este objeto é extremamente brilhante. 

Com um quasar, nota-se o brilho oscilando para cima e para baixo ao longo do tempo. Mas olhando para trás, ao longo de uma década, não foi detectado AT2021lwx e, de repente, apareceu como uma das coisas mais luminosas do Universo!

Um artigo foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Institute of Space Sciences

Estrelas de nêutrons hipermassivas de vida curta

Se você pudesse congelar um filme de duas estrelas de nêutrons colidindo uma com a outra, logo após a colisão, você testemunharia a formação de um objeto tão massivo e denso que não deveria existir: as estrelas se fundiriam momentaneamente em uma única estrela de nêutrons que está girando tão rápido que pode se manter brevemente contra o colapso, desafiando a gravidade.

© M. Garlick (estrelas de nêutrons se colidindo)

Apenas alguns quadros depois, no entanto, a estrela desapareceria, sugada para dentro de si mesma e substituída por um buraco negro. Infelizmente, os astrônomos têm maneiras limitadas de estudar estes objetos, chamados de estrelas de nêutrons hipermassivas (HMNSs). Isto porque, embora as estrelas de nêutrons emitam ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo – à medida que se aproximam uma da outra, os detectores de corrente não são sensíveis às frequências emitidas pelo próprio HMNS. 

Mas agora, os astrônomos podem ter encontrado outro caminho para entender as estrelas de nêutrons hipermassivas. De acordo com um novo estudo, algumas HMNSs emitem rajadas curtas de raios gama durante seus estertores de morte. 

E quando os pesquisadores liderados por Cecilia Chirenti, da Universidade de Maryland em College Park, analisaram 700 rajadas curtas de raios gama (GRBs), encontraram alguns casos em que os sinais não eram puramente ruído. Em vez disso, estes GRBs tinham frequências características mais fortes do que outras, uma assinatura consistente com uma estrela de nêutrons hipermassiva, que possui a rotação mais rápida conhecida entre as estrelas. 

As estrelas de nêutrons são os objetos mais densos que podem existir, exceto os buracos negros. Elas são os restos de estrelas tão massivas que explodem no final de suas vidas como supernovas, que imediatamente colapsam em buracos negros. Dado que a maioria das estrelas do Universo está em sistemas estelares binários ou múltiplos, não raramente, um par de estrelas binárias pode terminar suas vidas como estrelas de nêutrons. E com o tempo, elas podem espiralar uma em direção a outra e colidir. Quando estas colisões catastróficas ocorrem, elas emitem raios gama que podem ser detectados por telescópios depois de viajar por bilhões de anos. 

As fusões estelares também produzem ondas gravitacionais, algumas das quais podem ser detectadas por instalações como o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) nos EUA e Virgo na Europa. Com base nestas observações, os cientistas atualmente acreditam que, se a estrela de nêutrons resultante for mais massiva do que aproximadamente 2,2 vezes a massa do Sol, ela entrará em colapso gerando um buraco negro. Se não for muito massiva, uma estrela de nêutrons pode sobreviver, mas apenas por uma fração de segundo.

Para tentar obter mais informações sobre estas estrelas de vida curta, Chirenti e sua equipe observaram que os modelos de computador preveem que o brilho dos raios gama de uma HMNS pode piscar alguns milhares de vezes por segundo. Portanto, ao determinar a taxa precisa desta oscilação, os astrônomos poderiam obter informações sobre o tamanho e a taxa de rotação da HMNS. Mas até o momento, nenhuma destas oscilações de raios gama foi identificada.

Assim, os astrônomos vasculharam dados de arquivo de três observatórios de raios gama baseados no espaço da NASA: o Fermi Gamma-Ray Space Telescope e o Neil Gehrels Swift Observatory (ambos em operação hoje), bem como o Compton Gamma Ray Observatory. 

Uma estrela de nêutrons hipermassiva produz oscilações quase periódicas (QPOs), significando que, em vez de piscar uniformemente em uma única frequência, há uma varredura de frequências centradas em torno das frequências de pico. Isto pode ser comparado à audição de um diapasão emitindo uma única frequência limpa em relação à uma orquestra afinando seus instrumentos antes de um concerto. Nem tudo está totalmente afinado, mas você ainda pode distinguir alguns tons mais fortes do que outros.

Dos mais de 700 eventos analisados, a equipe encontrou QPOs em dois deles, designados GRB 910711 e GRB 931101B. Ambos foram detectados pelo Compton, que a NASA operou durante a década de 1990 e saiu de órbita em 2000. Apesar da idade de Compton, para este estudo, era um instrumento incrível por causa de sua grande área de detecção e grande capacidade de temporização. Sua análise descobriu que as oscilações mais fortes estavam em uma frequência de aproximadamente 2.600 Hz. De acordo com as simulações, isto sugere que o HMNS responsável está girando pelo menos 1.300 vezes por segundo.

No entanto, esta taxa de rotação é apenas um limite inferior: assim como a luz é desviada para o vermelho pela expansão do Universo, a frequência da oscilação quase periódica pode ter sido maior originalmente. Mas mesmo que estivesse muito próximo, o HMNS ainda estaria girando quase duas vezes mais rápido que o pulsar mais rápido conhecido, uma classe de estrelas de nêutrons girando rapidamente.

Espera-se que, até a década de 2030, detectores de ondas gravitacionais mais avançados sejam capazes de estudar as ondulações do espaço-tempo produzidas por estrelas de nêutrons hipermassivas, enquanto no momento os pesquisadores continuaram procurando por elas em raios gama. 

O novo estudo foi publicado na revista Nature.

Fonte: Astronomy

Telescópios examinam uma explosão cósmica revolucionária

No dia 11 de dezembro de 2021, o Observatório Neil Gehrels Swift e o telescópio espacial Fermi detectaram uma explosão de luz altamente energética proveniente dos arredores de uma galáxia a cerca de um bilhão de anos-luz.

© NASA (ilustração de duas estrelas de nêutrons em fusão)

O evento fez estremecer a compreensão dos cientistas sobre as explosões de raios gama (ou GRBs, "gamma-ray bursts" em inglês), os eventos mais poderosos do Universo. Ao longo das últimas décadas, os astrônomos têm geralmente dividido os GRBs em duas categorias. As explosões longas emitem raios gama durante dois segundos ou mais e têm origem na formação de objetos densos como buracos negros nos centros de estrelas massivas em colapso. As explosões curtas emitem raios gama durante menos de dois segundos e são provocadas pela fusão de objetos densos, como estrelas de nêutrons. 

Os cientistas observam por vezes explosões curtas a que se segue um surto de luz visível e infravermelha chamada quilonova. Esta explosão, denominada GRB 211211A, foi uma mudança de paradigma, uma vez que é a primeira explosão de raios gama de longa duração que tem origem numa fusão de estrelas de nêutrons. A explosão altamente energética durou cerca de um minuto e as observações de acompanhamento levaram à identificação de uma quilonova. 

Esta descoberta tem profundas implicações na origem dos elementos pesados do Universo. Uma explosão de raios gama clássica começa com duas estrelas de nêutrons em órbita, os remanescentes esmagados de estrelas massivas que explodiram como supernovas. À medida que as estrelas se orbitam cada vez mais intimamente, roubam material rico em nêutrons uma da outra. Também produzem ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço-tempo, embora nenhuma tenha sido detectada a partir deste evento.

Eventualmente, as estrelas de nêutrons colidem e fundem-se, criando uma nuvem de detritos quentes que emite luz em vários comprimentos de onda. É provável que jatos de partículas velozes, lançadas pela fusão, produzem o surto inicial de raios gama antes de colidirem com os destroços. O calor gerado pela decomposição radioativa dos elementos nos detritos, ricos em nêutrons, cria provavelmente a luz visível e infravermelha da quilonova. Este decaimento resulta na produção de elementos pesados como ouro e platina.

O Fermi e o Swift detectaram a explosão simultaneamente, e o Swift foi capaz de identificar rapidamente a sua localização na direção da constelação de Boieiro, permitindo com que outras instalações respondessem rapidamente com observações de acompanhamento. As suas observações forneceram o olhar mais precoce, até agora, das primeiras fases de uma quilonova. 

Muitos grupos de investigação aprofundaram as observações recolhidas pelo Swift, pelo Fermi, pelo telescópio espacial Hubble e por outros. Alguns sugeriram que as complexidades da explosão podem ser explicadas pela fusão de uma estrela de nêutrons com outro objeto massivo, como um buraco negro. 

O evento também foi relativamente próximo, tendo em conta os padrões dos GRBs, o que pode ter permitido aos telescópios captar a luz mais fraca da quilonova. Talvez alguns surtos mais longos e distantes pudessem também produzir quilonovas, mas não foi possível observá-las. A luz que se seguiu à explosão, chamada emissão remanescente, também exibiu características incomuns. 

O Fermi detectou raios gama altamente energéticos que começaram 1,5 horas após a explosão e duraram mais de 2 horas. Estes raios gama atingiram energias até um bilhão de eV (elétrons-volt). Em comparação, a energia da luz visível mede entre cerca de 2 a 3 eV.

As fusões entre estrelas de nêutrons são uma das principais fontes dos elementos pesados do Universo. Isto pode ser estimado pela taxa de explosões curtas que se pensa ocorrerem em todo o cosmos. Agora também terão de ser consideradas as explosões longas nos seus cálculos. 

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: Gemini Observatory

A recente explosão de raios gama

A explosão de raios gama GRB 221009A provavelmente sinaliza o nascimento de um novo buraco negro, formado no núcleo de uma estrela em colapso há muito tempo no Universo distante.

© Fermi (GRB 221009A)

A explosão extremamente poderosa é retratada através de dados do telescópio espacial de raios gama Fermi. O telescópio Fermi captou os dados em energias de raios gama, detectando fótons com mais de 100 milhões de elétron-volts. Em comparação, os fótons de luz visível têm energias de cerca de 2 elétron-volts. 

Um brilho de raios gama constante e de alta energia no plano da galáxia Via Láctea percorre diagonalmente a imagem de 20 graus à esquerda, enquanto o flash de raios gama transitório da GRB 221009A aparece no centro e depois desaparece. 

Uma das explosões de raios gama mais brilhantes já detectadas GRB 221009A também está próxima no que diz respeito às explosões de raios gama, mas ainda está a cerca de 2 bilhões de anos-luz de distância. 

Na órbita baixa da Terra, o Fermi's Large Area Telescope registrou fótons de raios gama da explosão por mais de 10 horas, enquanto a radiação de alta energia da GRB 221009A varreu o planeta Terra no dia 9 de outubro deste ano.

Fonte: NASA

Fusão explosiva captada em comprimentos de onda milimétricos

Recorrendo ao ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os cientistas registaram pela primeira vez radiação milimétrica proveniente de uma explosão provocada pela fusão de uma estrela de nêutrons com outra estrela.

© ESO / M. Weiss (ilustração da fusão de estrela de nêutrons com outra estrela)

A equipe também confirmou este flash de luz como uma das explosões de raios gama de curta duração mais energéticas, deixando para trás dos brilhos remanescentes ultravioleta mais luminosos alguma vez registados. 

 As explosões de raios gama ("gamma-ray burst", ou GRB) são as explosões mais brilhantes e energéticas do Universo, capazes de emitir mais energia numa questão de segundos do que o nosso Sol emitirá durante toda a sua vida. 

A GRB 211106A pertence a uma subclasse de GRBs conhecida como explosões de raios gama de curta duração. Estas explosões são responsáveis pela criação dos elementos mais pesados do Universo, como a platina e o ouro, e resultam da fusão catastrófica de sistemas binários contendo uma estrela de nêutrons. Estas fusões ocorrem devido à radiação de ondas gravitacionais, que removem energia da órbita das estrelas binárias, fazendo com que as estrelas espiralem uma em direção à outra. A explosão resultante é acompanhada por jatos que se movem a uma velocidade próxima da velocidade da luz. Quando um destes jatos aponta na direção da Terra, observamos um curto pulso de raios gama ou um GRB de curta duração. 

Um GRB de curta duração geralmente dura apenas alguns décimos de segundo. Os cientistas procuram então um brilho remanescente, uma emissão de radiação provocada pela interação dos jatos com o gás circundante. Mesmo assim, são difíceis de detectar; apenas meia-dúzia de GRBs de curta duração foram detectados no rádio, e até agora nenhum tinha sido detectado em comprimentos de onda milimétricos.

Os brilhos remanescentes dos GRBs de curta duração são muito luminosos e energéticos. Mas estas explosões ocorrem em galáxias distantes, o que significa que a luz delas proveniente pode ser bastante tênue para os telescópios na Terra. Antes do ALMA, os telescópios milimétricos não eram suficientemente sensíveis para a detecção destes brilhos remanescentes. 

Tendo ocorrido quando o Universo tinha apenas 40% da sua idade atual, a GRB 211106A não é exceção. A luz desta explosão de raios gama de curta duração foi tão fraca que, apesar das primeiras observações de raios X com o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA registrarem a explosão, a galáxia hospedeira era indetectável naquele comprimento de onda e não foi possível determinar exatamente a origem da explosão.

Uma quantidade significativa de poeira na área também obscurecia o objeto da detecção em observações ópticas com o telescópio espacial Hubble. Cada comprimento de onda acrescentou uma nova dimensão à compreensão dos cientistas deste GRB, e o milímetro, em particular, foi fundamental para desvendar melhor sobre a explosão. As observações do Hubble revelaram um campo imutável de galáxias. A sensibilidade inigualável do ALMA permitiu identificar com mais precisão a localização do GRB neste campo e acabou por ter origem em outra galáxia tênue, que se encontra mais longe. Isto, por sua vez, significa que esta explosão de raios gama de curta duração é ainda mais poderosa, tornando-a uma das mais luminosas e energéticas de que há registo. 

Com o telescópio espacial James Webb será possível obter um espectro da galáxia hospedeira e conhecer facilmente a distância e, no futuro, também poderá captar os brilhos remanescentes infravermelhos e estudar a sua composição. Com a nova geração do VLA, será possível estudar a estrutura geométrica dos brilhos remanescentes e o combustível de formação estelar encontrado nos seus ambientes hospedeiros com um detalhe sem precedentes.

Os resultados serão publicados numa edição futura do periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Telescópios ajudam a descobrir as origens de GRBs náufragos

Uma série de explosões de raios gama (GRB - gamma-ray burst) aparecem como flashes solitários altamente energéticos longe de qualquer local galáctico óbvio, levantando questões sobre as suas verdadeiras origens e distâncias.

© NOIRLab (fusão de duas estrelas de nêutrons gerando GRB)

Utilizando dados de alguns dos telescópios mais poderosos da Terra e no espaço, incluindo o Observatório W. M. Keck, o Gemini North em Maunakea, Havaí e o telescópio Gemini South no Chile, os astrônomos podem finalmente ter encontrado as suas verdadeiras origens, uma população de galáxias distantes a quase 10 bilhões de anos-luz de distância.

Uma equipe internacional de astrônomos descobriu que certos GRBs curtos não tiveram origem como náufragos na vastidão do espaço intergaláctico, tal como inicialmente apareceram. Um estudo mais profundo, recorrendo a vários observatórios, descobriu ao invés que estes GRBs isolados ocorreram em galáxias notavelmente distantes.

Esta descoberta sugere que os GRBs curtos, que se formam durante as colisões de estrelas de nêutrons, podem ter sido mais comuns no passado do que o esperado. Dado que as fusões de estrelas de nêutrons formam elementos pesados, incluindo ouro e platina, o Universo pode ter sido semeado com metais preciosos mais cedo do que se esperava também. 

Outros observatórios envolvidos nesta pesquisa incluem o telescópio espacial Hubble, o LDT (Lowell Discovery Telescope) no Arizona, o GTC (Gran Telescopio Canarias) na Espanha e o VLT (Very Large Telescope) do ESO no Chile. 

Os pesquisadores começaram a sua busca analisando dados de 120 GRBs captados por dois instrumentos a bordo do Observatório Neil Gehrels Swift da NASA: o BAT (Burst Alert Telescope), que sinalizou que tinha sido detectada uma explosão; e o XRT (X-ray Telescope), que identificou a localização geral do brilho de raios X do GRB. 

Estudos adicionais do seu brilho remanescente, feitos com o Observatório Lowell, identificaram com maior precisão a localização dos GRBs. Os estudos posteriores descobriram que 43 dos GRBs curtos não estavam associados a nenhuma galáxia conhecida e apareceram no espaço comparativamente vazio entre as galáxias. 

Uma hipótese deste isolamento era que as estrelas de nêutrons progenitoras se formaram como um par binário dentro de uma galáxia distante, entraram à deriva no espaço intergaláctico e eventualmente se fundiram bilhões de anos mais tarde. A outra hipótese era que as estrelas de nêutrons se fundiram a muitos bilhões de anos-luz de distância nas suas galáxias hospedeiras, que agora aparecem extremamente fracas devido à sua vasta distância da Terra. Os astrônomos acham que este segundo cenário era o mais plausível para explicar uma grande fração de eventos sem galáxia hospedeira.

Este resultado pode ajudar os astrônomos a melhor compreender a evolução química do Universo. A fusão de estrelas de nêutrons desencadeia uma série de reações nucleares em cascata que são necessárias para produzir metais pesados, como ouro, platina e tório. A redução da escala de tempo cósmico na fusão de estrelas de nêutrons significa que o jovem Universo era muito mais rico em elementos pesados do que se pensava anteriormente.

O estudo foi aceito para publicação no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Gemini Observatory

Descoberta erupção de raios gama mais curta abastecida por supernova

Os astrônomos descobriram o GRB (Gamma-Ray Burst) mais curto provocado pela implosão de uma estrela massiva.

© M. Zamani (estrela em colapso produzindo dois jatos GRB curtos)

Usando o Observatório Gemini, um programa do NOIRLab, os astrônomos identificaram a causa deste surto de raios gama de 0,6 segundos como uma explosão de supernova numa galáxia distante. Os GRBs provocados por supernovas têm geralmente mais do dobro da duração, o que sugere que alguns GRBs curtos podem ser produzidos por supernovas.

Os GRBs estão entre os eventos mais brilhantes e energéticos do Universo. Os GRBssão divididos em duas grandes categorias com base na sua duração. Os GRBs curtos ganham vida em menos de dois segundos e pensa-se que sejam provocados pela fusão de estrelas de nêutrons binárias. Os GRBs longos têm sido associados a explosões de supernova provocadas pela implosão de estrelas massivas.

Este e alguns outros GRBs associados a supernovas estão parecendo curtos porque os jatos de raios gama que emergem dos polos da estrela em colapso não são fortes o suficiente para escapar completamente da estrela, e que outras estrelas colapsantes têm jatos tão fracos que nem produzem GRBs. 

Esta descoberta também pode ajudar a explicar um mistério astronômico. Os GRBs longos estão associados a um tipo específico de supernova, de Tipo Ic-BL. No entanto, os astrônomos observam muitas mais destas supernovas do que GRBs longos. Esta descoberta do GRB mais curto associado a uma supernova sugere que alguns destes GRBs desencadeados por uma supernova estão se mascararando como GRBs curtos que se pensa serem criados pelas fusões de estrelas de nêutrons e, portanto, não estão sendo contados como do tipo supernova.

A equipe foi capaz de determinar que este GRB, identificado como GRB 200826A, teve origem numa explosão de supernova graças às capacidades do instrumento GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph) do Gemini North no Havaí. Os pesquisadores usaram o Gemini North para obter imagens da galáxia hospedeira do GRB por uma rede de observatórios que incluía o telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA. 

As observações do Gemini permitiram detetar o aumento revelador de energia que assinala uma explosão, apesar da localização da explosão numa galáxia a 6,6 bilhões de anos-luz de distância. 

Este resultado mostra que classificar GRBs com base apenas na sua duração pode não ser a melhor abordagem, e que são necessárias observações adicionais para determinar a causa de um GRB. 

A instrumentação dedicada, a ser implementada na próxima década, manterá a liderança do Gemini no acompanhamento destes eventos cósmicos inspiradores.

Fonte: Gemini Observatory

Galáxia mais distante ajuda a elucidar o Universo primordial

Um novo trabalho melhora a nossa compreensão do objeto astrofísico mais distante conhecido, GN-z11, uma galáxia a 13,4 bilhões de anos-luz da Terra.

© NASA/GSFC (ilustração de uma explosão de raios gama)

Formada a 400 milhões de anos após o Big Bang, determinou-se anteriormente, graças a dados de telescópios espaciais, que GN-z11 é o objeto mais distante alguma vez descoberto.

Uma equipe de astrônomos liderada por Linhua Jiang do Instituto Kavli para Astronomia e Astrofísica da Universidade de Pequim obteve espectros no infravermelho próximo usando telescópios terrestres que confirmaram a distância da galáxia. Também avistaram um "flash" ultravioleta associado a uma explosão de raios gama da galáxia. 

As suas descobertas vão melhorar a nossa compreensão da formação de estrelas e galáxias no início do Universo. O Big Bang deu início ao Universo como uma sopa quente e turva de partículas extremamente energéticas que se expandia rapidamente. Após cerca de 400.000 anos, estas partículas arrefeceram e coalesceram em gás hidrogênio neutro, dando início a uma era das trevas cósmica. 

Algumas zonas de gás eram mais densas do que outras e, eventualmente, o seu material colapsou para dentro, formando os primeiros aglomerados estruturais no Universo. A energia liberada por estrelas e galáxias antigas fez com que o hidrogênio neutro espalhado por todo o Universo ficasse excitado e perdesse um elétron, um processo chamado ionização. 

Como os fótons podiam viajar livremente através deste gás ionizado, o Universo voltou a ficar luminoso. Este período de reionização cósmica durou várias centenas de milhões de anos e representa uma das transições de fase mais importantes da história do Universo. 

Um dos principais objetivos científicos dos telescópios de próxima geração, incluindo o GMT (Giant Magellan Telescope) em construção no Observatório de Las Campanas, é compreender esta época e detectar a luz destes primeiros objetos. No entanto, é muito difícil para os telescópios existentes detectar espectros de galáxias tão distantes, o que torna esta descoberta tão emocionante. 

Obtendo observações espectroscópicas profundas da GN-z11 usando o telescópio Keck em Mauna Kea, Havaí, a equipe foi capaz de confirmar a sua distância de 13,4 bilhões de anos-luz. No entanto, a análise da radiação proveniente da GN-z11 indicou uma abundância de elementos mais pesados do que o hidrogênio e hélio na composição da galáxia. Isto indica que não é uma das galáxias originais, que foram formadas a partir de um Universo pristino e frio e que não tem a cornucópia de elementos sintetizados por gerações anteriores de estrelas e semeados na matéria-prima circundante quando explodiram como supernovas.

As observações do Keck também revelaram uma explosão brilhante de luz que durou menos de três minutos. A análise detalhada revelou que este flash foi produzido por uma explosão de raios gama (GRB) em GN-z11. Não se sabia anteriormente que estes fenômenos já existiam apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. 

Quanto mais aprendemos sobre os primeiros objetos do Universo, melhor podemos entender como a estrutura do nosso cosmos foi moldada.

Dois artigos sobre a descoberta foram publicados recentemente na revista Nature Astronomy.

Fonte: Carnegie Science

Descoberta nova classe de explosões cósmicas

Foram descobertos dois objetos que, somados a um objeto estranho descoberto em 2018, constituem uma nova classe de explosões cósmicas.

© NRAO (explosão gerando FBOTs)

O novo tipo de explosão partilha algumas características com as explosões de supernova de estrelas massivas e com as explosões que geram GRBs (Gamma-ray bursts), mas ainda com algumas diferenças distintas.

A saga começou em junho de 2018 quando os astrônomos viram uma explosão cósmica com características e comportamento surpreendentes. O objeto, apelidado AT2018cow ("A Vaca"), atraiu a atenção de cientistas de todo o mundo e foi estudado extensivamente. Embora partilhe algumas características com as explosões de supernova, diferia em aspetos importantes, particularmente o seu brilho inicial incomum e na rapidez com que aumentou e diminui de brilho em apenas alguns dias.

Entretanto, duas explosões adicionais, uma em 2016 e outra em 2018, também mostraram características incomuns e foram observadas e analisadas. As duas novas explosões têm o nome CSS161010 (abreviação de CRTS CSS161010 J045834-081803), numa galáxia situada a aproximadamente 500 milhões de anos-luz da Terra, e ZTF18abvkwla ("O Coala"), numa galáxia a cerca de 3,4 bilhões de anos-luz de distância. Ambas foram descobertas por levantamentos automatizados do céu (CRTS - Catalina Real-time Transient Survey, ASAS-SN - All-Sky Automated Survey for Supernovae e ZTF - Zwicky Transient Facility) usando telescópios ópticos para varrer grandes áreas do céu noturno.

Duas equipes de astrônomos acompanharam estas descobertas observando os objetos com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array). As duas equipes também usaram o GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia e a equipe que estudava CSS161010 usou o Observatório de raios X Chandra da NASA. Ambos os objetos surpreenderam os observadores.

Anna Ho, do Caltech, autora principal do estudo sobre ZTF18abvkwla, notou imediatamente que a emissão de rádio do objeto era tão brilhante quanto a de uma explosão de raios gama. "Quando reduzi os dados, pensei que tinha cometido um erro," disse.

Deanne Coppejans, da Northwestern University, liderou o estudo sobre CSS161010, que descobriu que o objeto havia lançado uma quantidade "inesperada" de material para o espaço interestelar a mais de metade da velocidade da luz.

Em ambos os casos, as observações de acompanhamento indicaram que os objetos partilhavam características em comum com AT2018cow. Os cientistas concluíram que estes eventos, chamados FBOTs (Fast Blue Optical Transients), representam, juntamente com AT2018cow, um tipo de explosão estelar significativamente diferente das outras.

As FBOTs provavelmente começam da mesma forma que certas supernovas e GRBs, quando uma estrela muito mais massiva do que o Sol explode no final da sua vida "normal" alimentada a fusão atômica. As diferenças aparecem após a explosão inicial.

Na supernova "comum" deste tipo, chamada supernova de colapso do núcleo, a explosão envia uma onda de choque para o espaço interestelar. Se, além disso, um disco giratório de material se formar brevemente em torno da estrela de nêutrons ou buraco negro formados após a explosão e impulsionar jatos estreitos de material quase à velocidade da luz em direções opostas, estes jatos podem produzir feixes estreitos de raios gama, desencadeando uma GRB.

O disco giratório, chamado disco de acreção, e os jatos que produz, são chamados de "motor" pelos astrônomos.

Nota-se que as FBOTs também têm este mecanismo de motor. No seu caso, ao contrário das explosões de raios gama, está envolto por material espesso. Este material provavelmente foi derramado pela estrela pouco antes de explodir e pode ter sido retirado de lá por uma companheira binária.

Quando o material espesso próximo da estrela é atingido pela onda de choque da explosão, faz com que o surto de luz, visível logo após a explosão que inicialmente produziu estes objetos, pareça tão incomum.

À medida que a onda de choque da explosão colide com o material em torno da estrela, enquanto viaja para longe, produz emissão de rádio. Esta emissão muito brilhante foi a pista importante que provou que a explosão foi desencadeada por um motor.

O invólucro de material denso "significa que a estrela progenitora é diferente daquelas que levam a explosões de raios gama," disse Ho. Os astrônomos realçam que, na "Vaca" e em CSS161010, o material denso incluía hidrogênio, algo nunca visto nas explosões de raios gama.

Usando o Observatório W. M. Keck, os astrônomos descobriram que CSS 161010 e ZTF18abvkwla, tal como "A Vaca", estão situadas em pequenas galáxias anãs. As propriedades das galáxias anãs podem permitir alguns caminhos evolutivos muito raros das estrelas, que levam a estas explosões distintas.

Embora um elemento comum das FBOTs seja o fato de todas as três terem um "motor central", os astrônomos alertam que o motor também pode ser o resultado de estrelas serem destruídas por buracos negros, embora considerem as explosões do tipo supernova o candidato mais provável.

"Embora as FBOTs se tenham mostrado mais raras e mais difíceis de encontrar do que alguns de nós esperávamos, na banda do rádio são também muito mais luminosas do que imaginávamos, permitindo-nos obter dados compreensivos mesmo de eventos muito distantes," disse Daniel Perley, da Universidade John Moores em Liverpool.

As descobertas foram relataram em artigos publicados na revista The Astrophysical Journal Letters e na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: W. M. Keck Observatory

Explosão de raios gama com a mais alta energia já observada

Novas observações do telescópio espacial Hubble analisaram a natureza da explosão de raios gama GRB 190114C.

© ESA/M. Kornmesser (ilustração da poderosa explosão de raios gama)

As explosões de raios gama são as explosões mais poderosas do Universo. Emitem a maior parte da sua energia sob a forma de raios gama, radiação que é muito mais energética do que a luz visível que podemos ver com os nossos olhos.

Em janeiro de 2019, um GRB (Gamma-Ray Burst) extremamente brilhante e longo foi detectado por um conjunto de telescópios, incluindo os telescópios Swift e Fermi da NASA, bem como pelos telescópios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov). Na GRB 190114C parte da luz detectada do objeto tinha a maior energia já observada: 1 TeV (um Tera elétrons-volt), cerca de um trilhão de vezes mais energia por fóton do que a luz visível. Os cientistas têm tentado observar uma emissão energética tão alta a partir de GRBs há muito tempo, de modo que esta detecção é considerada um marco na astrofísica de alta energia.

As observações anteriores revelaram que, para atingir esta energia, o material deve ser emitido de uma estrela em colapso a 99,999% da velocidade da luz. Este material é então forçado através do gás que rodeia a estrela, provocando um choque que cria a própria explosão de raios gama. Pela primeira vez, os cientistas observaram raios gama extremamente energéticos desta explosão em particular.

Vários observatórios terrestres e espaciais começaram a estudar GRB 190114C. Os astrônomos europeus receberam tempo de observação com o telescópio espacial Hubble para observar a explosão de raios gama, estudar o seu ambiente e descobrir como esta emissão extrema é produzida.

As observações do Hubble sugerem que esta explosão em particular estava num ambiente muito denso, bem no meio de uma galáxia brilhante a 5 bilhões de anos-luz de distância. Isto é realmente incomum e sugere que talvez seja por isso que produziu esta radiação excecionalmente poderosa.

Os astrônomos também usaram o VLT (Very Large Telescope) do ESO e o ALMA (Atacama Large Milimeter/submilimeter Array) para estudar a galáxia hospedeira deste GRB. O instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) no telescópio espacial Hubble foi fundamental para estudar se as propriedades ambientais do sistema hospedeiro, composto por um par próximo de galáxias em interação, podem ter contribuído para a produção destes fótons altamente energéticos. O GRB ocorreu dentro da região nuclear de uma galáxia massiva, um local bastante único. Isto é indicativo de um ambiente mais denso do que aquele onde os GRBs são normalmente observados e poderá ter sido crucial para a produção dos fótons altamente energéticos observados.

Um artigo que descreve estas observações foi publicado na revista Nature. Um artigo adicional que detalha uma análise da galáxia que hospeda a GRB será publicado no periódico Astronomy and Astrophysics.

Fonte: ESA

Detectado parente de fonte de ondas gravitacionais

Há cerca de um ano, os astrônomos relataram animadamente a primeira detecção de ondas eletromagnéticas, ou luz, de uma fonte de ondas gravitacionais. Agora, um ano depois, pesquisadores estão anunciando a existência de um parente cósmico deste acontecimento histórico.

© Chandra/Hubble (GRB 150101B)

A descoberta foi feita usando dados obtidos pelo observatório de raios X Chandra, pelo telescópio espacial de raios gama Fermi, pelo observatório Swift Neil Gehrels, pelo telescópio espacial Hubble e pelo telescópio do Discovery Channel.

O objeto do novo estudo, de nome GRB 150101B, foi reportado pela primeira vez como uma explosão de raios gama detectada pelo Fermi em janeiro de 2015. Esta detecção e observações de acompanhamento, em outros comprimentos de onda, mostram que GRB 150101B partilha semelhanças notáveis com a fusão de estrelas de nêutrons e fonte de ondas gravitacionais descoberta pelo LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) e pelo seu equivalente europeu Virgo em 2017, conhecida como GW170817. O estudo mais recente conclui que estes dois objetos separados podem estar relacionados.

"A nossa descoberta diz-nos que eventos como GW170817 e GRB 150101B podem representar uma nova classe de objetos em erupção que ligam e desligam raios X e podem, na verdade, ser relativamente comuns," comenta Eleonora Troja, autora principal do estudo, do Goddard Space Flight Center da NASA e da Universidade de Maryland em College Park.

Troja e colegas pensam que tanto GRB 150101B como GW170817 foram provavelmente produzidos pelo mesmo tipo de evento: a fusão de duas estrelas de nêutrons, uma coalescência que gerou um jato estreito, ou feixe, de partículas altamente energéticas. O jato produziu uma explosão curta e intensa de raios gama (GRB), um flash de alta energia que pode durar apenas alguns segundos. O GW170817 provou que estes eventos também podem criar ondulações no próprio espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais.

A aparente correspondência entre GRB 150101B e GW170817 é impressionante: ambos produziram uma explosão de raios gama incomumente tênue, ambos foram uma fraca fonte de luz azul com a duração de alguns dias e a emissão de raios X durou muito mais tempo. As galáxias hospedeiras são também incrivelmente similares, com base em observações do telescópio espacial Hubble e do telescópio do Discovery Channel. Ambas são galáxias elípticas brilhantes com uma população de estrelas com alguns bilhões de anos e sem evidências de nova formação estelar.

Nos casos, tanto de GRB 150101B como de GW170817, o aumento lento na emissão de raios X, em comparação com a maioria dos GRBs, implica que a explosão tenha provavelmente sido vista "fora do eixo", isto é, com o jato não apontando diretamente para a Terra. A descoberta do objeto GRB 150101B representa apenas a segunda vez que os astrônomos detectaram um GRB curto fora do eixo.

Embora existam muitas semelhanças entre GRB 150101B e GW170817, existem duas diferenças muito importantes. Uma é a sua localização. O GW170817 está a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, enquanto o GRB 150101B está a mais ou menos 1,7 bilhões de anos-luz de distância. Mesmo que o LIGO estivesse em operação no início de 2015, muito provavelmente não teria detectado ondas gravitacionais de GRB 150101B devido à sua distância maior.

"A beleza de GW170817 é que nos deu um conjunto de características, como marcadores genéticos, para identificar novos membros da família de objetos explosivos a distâncias ainda maiores do que o LIGO pode atualmente alcançar," afirma Luigi Piro do Instituto Nacional de Astrofísica em Roma, Itália.

A emissão óptica de GRB150101B está em grande parte na porção azul do espectro, fornecendo uma pista importante de que este evento envolveu o que chamamos de uma quilonova, como visto em GW170817. Uma quilonova é uma explosão extremamente poderosa que não apenas libera uma grande quantidade de energia, mas também produz elementos importantes como ouro, platina e urânio que outras explosões estelares não produzem.

É possível que algumas fusões como as vistas em GW170817 e GRB 150101B tenham sido detectadas anteriormente como GRBs curtos, mas não foram identificadas com outros telescópios. Sem detecções em comprimentos de onda mais longos, como raios X ou no visível, as posições dos GRBs não são precisas o suficiente para determinar em qual galáxia estão localizadas.

No caso de GRB 150101B, os astrônomos pensaram inicialmente que o equivalente era uma fonte de raios X detectada pelo Swift no centro de uma galáxia, provavelmente de material caindo para um buraco negro supermassivo. No entanto, as observações de acompanhamento com o Chandra detectaram a homóloga verdadeira longe do centro da galáxia hospedeira.

A outra diferença importante entre GW170817 e GRB 150101B é que sem a detecção de ondas gravitacionais, a equipe não conhece as massas dos dois objetos que se fundiram. É possível que a fusão tenha ocorrido entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, em vez de duas estrelas de nêutrons.

"Precisamos de mais casos como GW170817 que combinam dados de ondas gravitacionais com eletromagnéticos para encontrar um exemplo entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Esta detecção seria a primeira do tipo," comenta Hendrik Van Eerten da Universidade de Bath, no Reino Unido.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista Nature Communications.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Tendências explosivas de uma galáxia

Não se deixe enganar! O assunto desta imagem, o ESO 580-49, pode parecer tranquilo e modesto, mas esta galáxia espiral realmente exibe algumas tendências explosivas.

© Hubble (ESO 580-49)

Em outubro de 2011, uma explosão cataclísmica de radiação de raios gama de alta energia, conhecida como gamma-ray burst (GRB), foi detectada proveniente da região do céu contendo o ESO 580-49. Os astrônomos acreditam que a galáxia foi a anfitriã da GRB, uma vez que a chance de um alinhamento coincidente entre os dois é de aproximadamente 1 em 10 milhões. A uma distância de cerca de 185 milhões de anos-luz da Terra, foi a segunda explosão de raios gama já detectada.

As rajadas de raios gama estão entre os eventos mais brilhantes do cosmos, ocasionalmente superando a produção combinada de raios gama de todo o Universo observável por alguns segundos. A causa exata da GRB que provavelmente ocorreu dentro desta galáxia, catalogada como GRB 111005A, continua sendo um mistério. Vários eventos são conhecidos por gerar as GRBs, mas nenhuma destas explicações parece satisfazer neste caso. Os astrônomos sugeriram que o ESO 580-49 hospedou um novo tipo de explosão de GRB, que ainda não foi caracterizado.

Fonte: ESA

Misteriosa explosão cósmica

Cientistas descobriram um flash misterioso de raios X usando o observatório Chandra da NASA, obtendo a imagem mais profunda de raios X até o momento.

© Chandra (misteriosa fonte de raios X)

A fonte de raios X está localizada em uma região do céu conhecida como Chandra Deep Field-South (CDF-S), que é mostrada no painel principal deste gráfico. Durante os 17 anos que o Chandra vem operando, o telescópio observou este campo muitas vezes, resultando em um tempo de exposição total de 7 milhões de segundos, ou seja, dois meses e meio. Nesta imagem do CDF-S, as cores representam diferentes bandas de energia de raios X, onde vermelho, verde e azul mostram, respectivamente, os raios X de baixa, média e alta energia que Chandra pode detectar.

A misteriosa fonte descoberta, mostrada na caixa de inserção, tem propriedades notáveis. Antes de outubro de 2014, esta fonte não foi detectada em raios X, mas então ela entrou em erupção e tornou-se pelo menos um fator de 1.000 mais brilhante em poucas horas. Após cerca de um dia, a fonte tinha desvanecida completamente abaixo da sensibilidade do Chandra.

Milhares de horas de dados obtidos pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer ajudaram a determinar que o evento surgiu de uma pequena galáxia distante a cerca de 10,7 bilhões de anos-luz da Terra. Por alguns minutos, a fonte de raios X produziu mil vezes mais energia do que todas as estrelas nesta galáxia.

Enquanto os cientistas pensam que esta fonte provavelmente vem de algum tipo de evento destrutivo, suas propriedades não correspondem a nenhum fenômeno conhecido. Isso significa que esta fonte pode ser de uma variedade que nunca foi vista antes.

Os pesquisadores, no entanto, têm algumas ideias sobre o que esta fonte poderia ser. Duas das três principais possibilidades de explicar a fonte de raios X invocam eventos de explosão de raios gama (GRB), que são explosões de jato desencadeadas pelo colapso de uma estrela massiva ou pela fusão de uma estrela de nêutrons com outra estrela de nêutrons ou um buraco negro. Se o jato está apontando para a Terra, uma explosão de raios gama é detectada. À medida que o jato se expande, perde energia e produz radiação mais fraca e isotrópica em raios X e outros comprimentos de onda.

As explicações possíveis para a fonte de raios X CDF-S, de acordo com os pesquisadores, são um GRB que não é apontado para Terra, ou um GRB que se encontra além da galáxia pequena. Uma terceira possibilidade é que um buraco negro de tamanho médio dilacerou uma estrela anã branca.

A misteriosa fonte de raios X não foi vista em nenhum outro momento durante os dois meses e meio de tempo de exposição que Chandra observou a região CDF-S. Além disso, não foram encontrados eventos semelhantes em observações de Chandra de outras partes do céu.

Esta fonte de raios X no CDF-S tem propriedades diferentes das fontes de raios X ainda inexplicáveis ​​descobertas nas galáxias elípticas NGC 5128 e NGC 4636 por Jimmy Irwin e colaboradores. Em particular, a fonte CDF-S provavelmente está associada com a destruição completa de uma estrela de nêutrons ou anã branca e é aproximadamente 100.000 vezes mais luminosa em raios X. Ela também está localizada em uma galáxia hospedeira muito menor e mais jovem, e só é detectada durante uma única explosão de várias horas.

Pesquisas adicionais altamente direcionadas através do arquivo do Chandra e as do satélite XMM-Newton da ESA e da Swift da NASA podem revelar mais exemplos deste tipo de objeto variável que até agora passaram despercebidos. Futuras observações de raios X pelo Chandra e outros telescópios de raios X também podem revelar o mesmo fenômeno de outros objetos.

Um artigo que descreve este resultado será publicada na edição de junho de 2017 do periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics