Astrônomos detectam as explosões de raios gama mais fortes já registradas

Uma equipe internacional de astrônomos detectou um par de explosões de raios gama (ou GRB – sigla em inglês) com energias mais poderosas do que qualquer coisa já vista antes. Os GRBs são as explosões mais fortes conhecidas no cosmos, mas essas últimas observações sugerem que subestimamos significativamente seu verdadeiro potencial.

Três novos artigos publicados nesta quarta-feira (20) na Nature descrevem duas novas explosões de raios gama – GRB 190114C e GRB 180720B – ambas produzindo os fótons de maior energia já registrados para eventos GRB. As observações sem precedentes estão lançando uma nova luz – literalmente – sobre esses misteriosos eventos cósmicos e a mecânica por trás deles.

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Pensa-se que as explosões de raios gama são desencadeadas quando estrelas gigantes colapsam em buracos negros, causando uma supernova. A explosão resultante produz um jato poderoso e concentrado que lança material no espaço a 99,99% da velocidade da luz.

As partículas que se aceleram rapidamente no jato produzem raios gama através de interações complexas com campos magnéticos e radiação. Os raios gama que se seguem continuam a viajar pelo espaço interestelar, alguns dos quais chegam à Terra. Quando entram em contato com a nossa atmosfera, os raios gama desencadeiam uma cascata de partículas que, por sua vez, gera um fenômeno conhecido como luz Cherenkov, que pode ser detectado por telescópios especialmente equipados.

O brilho resultante do GRB 190114C e sua galáxia, como fotografado pelo Telescópio Espacial Hubble em 11 de fevereiro e 12 de março de 2019. Imagem: NASA, ESA e V. Acciari et al. 2019

Os astrônomos vêm estudando GRBs há mais de 50 anos, mas ainda há muito a aprender, incluindo informações necessárias sobre como os raios gama surgem e a física envolvida quando os materiais são descartados dos buracos negros em velocidades tão extremas, disse Andrew Levan, professor de astronomia da Universidade de Warwick e coautor de um dos novos estudos. Os GRBs recém-detectados, com suas energias sem precedentes, estão definitivamente ajudando.

“Essas novas observações aumentam a faixa de energia sobre a qual podemos observar os raios gama e revelam um novo componente da emissão que nunca vimos antes”, escreveu Levan em um e-mail ao Gizmodo. “Eles são uma demonstração fantástica da tecnologia que permite que os telescópios detectem esse tipo de luz. Mais importante, eles oferecem uma nova maneira de entender a física nas condições mais extremas da natureza”.

De fato, essas observações não seriam possíveis sem uma tecnologia muito impressionante. As energias GRB descritas nos novos artigos foram medidas observando seus efeitos em nossa atmosfera. Quando os raios gama invadem nossos céus, eles empurram grandes quantidades de partículas, produzindo uma espécie de chuva de ar. Movendo-se a velocidades relativísticas, essas chuvas geram um brilho azulado detectável, chamado luz Cherenkov, que pode ser detectado pelos telescópios Cherenkov.

Imagem conceitual mostrando telescópios especialmente equipados detectando a luz Cherenkov, gerada pelos raios gama recebidos e detectáveis como luz azul. Imagem : DESY, Laboratório de Comunicação Científica

Nesse caso, esses telescópios eram o Sistema Estereoscópico de Alta Energia (HESS) na Namíbia e o Imagem Gama Atmosférica Principal Cherenkov (MAGIC) nas Ilhas Canárias, ambas operadas pela Sociedade Max Planck. Os satélites foram usados ​​anteriormente para observar a luz Cherenkov, mas seus instrumentos não são sensíveis o suficiente para detectar eventos de energia super alta, porque produzem pouca luz.

O primeiro desses eventos de alta energia, GRB 180720B, aconteceu em 20 de julho de 2018 e é descrito em um artigo liderado por astrônomos do Instituto Max Planck, Deutsches Elektronen-Synchotron (DESY), do Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia ( ICRAR) e várias outras instituições. O segundo evento, GRB 190114C, ocorreu em 14 de janeiro de 2019 e é descrito em dois novos artigos (aqui e aqui), ambos liderados por Razmik Mirzoyan, do Instituto Max Planck de Física. Mais de 300 cientistas de todo o mundo estiveram envolvidos na pesquisa.

“O que é notável nessas explosões em particular não é a quantidade de energia que eles emitem no total, mas a energia que vemos dos bits individuais de luz”, explicou Levan. “Podemos pensar na luz como composta de pequenas partículas chamadas fótons, e cada um desses fótons carrega uma energia. Normalmente, medimos a energia em uma unidade chamada elétron-volt, que é a energia com que um único elétron se moveria em 1 volt”.

Os fótons ao nosso redor, que vemos com nossos olhos, normalmente retêm cerca de 1 elétron-volt de energia, mas os fótons do GRB 190114C, medidos pela MAGIC, carregam mais de 1 teraelétron-volt (TeV), que é um trilhão de vezes mais energia do que vemos com nossos olhos, explicou Levan. Para se ter uma ideia, um GRB recorde de 2013 foi medido em 94 bilhões de elétron-volts, ou 0,094 TeV.

“É quase como ter 10 centavos em seu nome enquanto a pessoa ao seu lado é o Bill Gates”, disse ele. “Como não é de se surpreender, se um fóton tem tanta energia, ele pode fazer coisas diferentes – assim como você pode levar uma vida muito diferente se tiver US$ 100 bilhões em vez de 10 centavos. Então, essa luz muito energética realmente abre uma nova janela para o universo”.

Os dados coletados pelo MAGIC mostraram que as energias do GRB 190114C estavam entre 200 bilhões e 1.000 bilhões de elétron-volts, ou 0,2 a 1 tera-elétron-volt. Este é agora o evento GRB mais forte já detectado. Observações realizadas em observatórios de apoio calcularam a distância deste GRB em cerca de 4 bilhões de anos-luz da Terra. O evento anterior, GRB 180720B, medido pelo HESS, foi um pouco mais fraco, registrando energias entre 100 bilhões e 440 bilhões de elétron-volts, ou 0,1 a 0,44 TeV, e é estimado em 6 bilhões de anos-luz de distância.

Imagem conceitual mostrando o observatório MAGIC examinando os céus em busca de raios gama. Imagem: Superbossa.com e C. Righi.

“O que mais me surpreende com essas observações é como finalmente vimos essa emissão de alta energia após mais de uma década de esforço”, disse Levan. Além desses dois eventos, outro grande GRB foi registrado este ano, cujos detalhes ainda não foram divulgados, disse ele. “Isso implica que, em vez de ser muito raro, esse tipo de emissão pode ser bastante comum em explosões de raios gama. Nesse caso, é realmente surpreendente que tivemos que esperar tanto tempo para que as condições estivessem certas para encontrar essa luz excepcionalmente energética”, disse Levan ao Gizmodo.

Os novos artigos, além de caracterizar os novos GRBs, também apresentaram explicações para os fótons de alta energia, que se presume serem produzidos por um processo em duas frentes, conhecido como espalhamento inverso de Compton. A princípio, as partículas que se aceleram rapidamente se movem no forte campo magnético da própria explosão, resultando em radiação síncrotron (sim, o mesmo tipo de radiação produzida em síncrotrons e outros aceleradores de partículas na Terra, mas é aí que a comparação termina). Então, em um segundo estágio, os fótons síncrotron se chocam contra as partículas velozes que os criaram, aumentando suas energias às taxas extremas registradas na atmosfera da Terra.

Diagrama mostrando como os GRBs são formados a partir de um buraco negro. Imagem: Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA

Os GRBs são registrados por satélites quase diariamente, mas na verdade são bastante raros de uma perspectiva cosmológica – felizmente. Para colocar o poder dessas coisas em perspectiva, uma “explosão típica libera tanta energia em poucos segundos quanto o Sol em toda a sua vida útil de 10 bilhões de anos”, explicou a astrônoma Gemma Anderson, coautora do estudo da Curtin University  – que faz parte do Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia -, em um comunicado de imprensa. Se um raio gama explodisse em qualquer lugar perto de nossa vizinhança e fosse focado diretamente na Terra, isso poderia potencialmente provocar uma extinção em massa.

Como Levan explicou ao Gizmodo, um evento desses pode ter realmente acontecido no passado antigo da Terra.

“Existe um evento de extinção em massa que podemos ver no registro geológico – a extinção ordoviciana – que combina com o que esperaríamos de uma explosão de raios gama”, disse Levan . “Se um evento fosse próximo o suficiente da Terra para nos afetar agora, teríamos alguns efeitos paradoxais”.

Primeiro, a camada de ozônio seria destruída pelos raios gama, permitindo que grandes quantidades de luz UV chegassem à superfície, disse Levan. A luz visível, por outro lado, provavelmente seria bloqueada devido à destruição de moléculas-chave na atmosfera e à presença de óxidos nitrosos, que bloqueariam a luz solar, desencadeando uma era glacial . Esse duplo golpe de efeitos atmosféricos seria… ruim.

“Isso é consistente com o que foi visto 440 milhões de anos atrás durante a extinção ordoviciana, embora não seja a única explicação possível”, disse Levan. “No entanto, para nos afetar, uma explosão de raios gama teria que estar perto o suficiente, com seu jato apontando diretamente para nós. As observações sugerem que as explosões de raios gama são realmente muito raras na Via Láctea”.

Ao que ele acrescentou: “Realmente não esperamos ser afetados significativamente com mais frequência do que a cada bilhão de anos, mais ou menos – não há razão para perder o sono com essa possibilidade”.