Rajada de ondas de rádio detectada em nossa galáxia veio de estrela de nêutrons

Pela primeira vez, astrônomos associaram um objeto real às misteriosas rajadas de rádio que vêm sendo detectadas desde 2007. O culpado neste caso, como se suspeitava, é um objeto superdenso conhecido como magnetar, mas a descoberta levou a um conjunto inteiramente novo de perguntas.

Nos últimos anos, cientistas detectaram centenas de pulsos poderosos de milissegundos conhecidos como Fast Radio Bursts (FRBs), todos eles provenientes de fora de nossa galáxia. Mas em 28 de abril de 2020, algo incrível aconteceu: os astrofísicos captaram um FRB de dentro da Via Láctea, um evento que suscitou muita emoção e conversa.

Esta explosão em particular, denominada FRB 200428, parecia se originar de uma estrela de nêutrons altamente magnética conhecida como magnetar SGR 1935 + 2154. O fato de os dois estarem conectados foi considerado uma possibilidade distinta na época, e depois de coletar, inspecionar, cruzar referências e corrigir todos os dados astronômicos disponíveis, três equipes independentes de cientistas agora confirmaram que este é o caso. Os magnetares, como concluem esses três novos artigos da Nature, são uma possível fonte de FRBs.

Até agora, “não havia nenhuma evidência observacional ligando diretamente os FRBs aos magnetares”, escreveram Amanda Weltman e Anthony Walters, ambos astrofísicos da Universidade da Cidade do Cabo, em um artigo da seção News and Views. “A detecção relatada nos três novos artigos oferece a primeira dessas evidências, fornecendo assim pistas vitais que nos ajudarão a entender as origens de pelo menos alguns FRBs”, de acordo com a dupla, que não estava envolvida na nova pesquisa.

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A confirmação foi possível graças à cooperação internacional e ao agrupamento de dados coletados por vários observatórios, alguns no solo e outros no espaço. E como o FRB galáctico coincidiu com explosões de raios gama e raios X, os astrofísicos adquiriram uma nova pista importante em sua busca para aprender mais sobre este estranho fenômeno celestial.

No início, os cientistas pensaram que esses pulsos brilhantes de ondas de rádio eram eventos únicos, mas alguns se repetiram. Isso significava que os FRBs, ou pelo menos alguns FRBs, não eram produto de eventos catastróficos. Ainda assim, algumas das fontes favoritas dessas explosões incluíam estrelas de nêutrons, explosões de supernovas ou interações desconhecidas com buracos negros. O fato de FRBs virem exclusivamente de fontes fora de nossa galáxia era uma grande limitação, visto que eles viajavam de muito longe. Daí a importância do FRB 200428.

“Até agora, todos os FRBs que os telescópios […] pegaram estavam em outras galáxias, o que os torna bastante difíceis de estudar em detalhes”, explicou Ziggy Pleunis, um aluno sênior de PhD da Universidade McGill em Montreal e coautor do novo estudo produzido pela colaboração CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment).

O telescópio CHIME. Imagem: Andre Renard/CHIME Collaboration

Esta história começa em 27 de abril — um dia antes da FRB galáctica. Dois telescópios espaciais, o Neil Gehrels Swift Observatory e o Fermi Gamma-ray Space Telescope, captaram múltiplas rajadas, tanto em raios X quanto em raios gama, vindos da direção do magnetar SGR 1935 + 2154.

O dia seguinte trouxe coisas boas, quando os astrônomos da CHIME detectaram o pulso de rádio brilhante. O observatório CHIME está localizado na Colúmbia Britânica, no Canadá, e consiste em cem refletores parabólicos.

No mesmo dia, cientistas da STARE2 (sigla em inglês para Pesquisa para Emissão de Rádio Astronômica Transiente 2), captaram a mesma coisa. A STARE2 consiste em três estações situadas no sudoeste dos EUA.

Numa conferência de imprensa realizada na segunda-feira, Christopher Bochenek, um astrofísico da STARE2 e o primeiro autor do estudo da sua equipe sobre a descoberta, disse que estava “paralisado de emoção”, quando viu pela primeira vez os dados. A explosão foi tão forte, disse ele, que poderia ter sido detectada por um telefone celular sintonizado na frequência certa no momento certo. Mais especificamente, a quantidade de energia de rádio contida neste pulso brilhante único é igual à quantidade de energia de rádio produzida pelo Sol a cada 30 segundos, disse Bochenek, pesquisador do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

“Este é o primeiro FRB que vem de um objeto conhecido.”

Houve uma discrepância de dados ímpar, no entanto, visto que o sinal recebido por STARE2 era mil vezes mais brilhante do que o sinal recebido por CHIME. Os dois grupos investigaram a disparidade, descobrindo que a culpa era de um problema de calibração na CHIME. Uma vez corrigidos, os dados CHIME corresponderam às observações STARE2, destacando a importância da coleta de dados astronômicos de fontes múltiplas. Ambas as equipes concluíram independentemente que o FRB 200428 se originou do magnetar SGR 1935 + 2154, que está localizado a 30.000 anos-luz de distância.

Como Bochenek apontou, o CHIME registrou duas rajadas discretas separadas por 30 milissegundos, enquanto o STARE2 viu apenas uma, mas isso é esperado, dadas as diferenças nos sistemas. Graças ao CHIME, “sabemos de onde veio” e, graças ao STARE2, “sabíamos como era brilhante”, disse ele. Juntos, este é agora “o primeiro FRB que vem de um objeto conhecido”, disse Bochenek.

Três telescópios espaciais também captaram sinais de raios-X vindos do magnetar durante a explosão, sendo o telescópio espacial INTEGRAL da ESA, o telescópio espacial Insight da China e o instrumento Konus da Rússia a bordo do satélite WIND da NASA. Portanto, no total, cinco observatórios diferentes capturaram o evento de alguma forma.

O telescópio de abertura esférica de quinhentos metros (FAST) na província de Guizhou, China. Imagem: Bojun Wang, Jinchen Jiang com pós-processamento por Qisheng Cui.

Também em 28 de abril, o mesmo pedaço de céu foi escaneado pelo Telescópio Esférico de Abertura de Quinhentos Metros da China (FAST, na sigla em inglês), mas não no momento exato em que o FRB 200428 apareceu.

Dados coletados durante o mesmo dia, no entanto, mostraram que o magnetar havia se tornado bastante ativo, emitindo 29 repetidores gama suaves — grandes explosões de raios gama e raios-X — durante 30 minutos. Nenhum FRB foi detectado durante esta fase de explosão, oferecendo novas pistas tentadoras sobre a natureza e as circunstâncias associadas a explosões rápidas de rádio.

Os detalhes dessas observações foram publicados em um artigo liderado por Bing Zhang, da Universidade de Nevada em Las Vegas. Zhang também foi coautor de um quarto artigo neste conjunto, lidando com os possíveis mecanismos físicos por trás de FRBs.

Como Weltman e Walters explicaram em seu artigo na seção News and Views, FRB 200428 é o “primeiro FRB para o qual outras emissões além das ondas de rádio foram detectadas, o primeiro a ser encontrado na Via Láctea e o primeiro a ser associado a um magnetar”. Além disso, é a “explosão de rádio mais brilhante de um magnetar galáctico que foi medido até agora”.

E pelo fato de o FRB 200428 ser a primeira explosão de rádio galáctica que é tão brilhante quanto as que vêm de galáxias próximas, “também fornece evidências muito necessárias de que magnetares podem ser as fontes de FRBs extragalácticos”.

Zhang, em uma conferência de imprensa, disse que anteriormente não estava otimista sobre os astrônomos encontrarem uma fonte de FRBs, já que uma prova conclusiva parecia improvável. Mas esta descoberta, “bem em nosso quintal”, mostra que eles vêm de magnetares, disse ele, acrescentando que magnetares podem explicar alguns e possivelmente todos os FRBs observados no universo, “mas pode haver mais de um progenitor”.

Na verdade, algumas questões muito importantes permanecem. Não está claro, por exemplo, se magnetares são a única fonte de FRBs e se outros fenômenos celestes podem da mesma forma produzir pulsos com as mesmas características. E, como Bochenek apontou, será “importante determinar com que frequência essas coisas acontecem no universo”.

Além disso, os astrofísicos agora terão que descobrir como os magnetares são capazes de produzir essas explosões poderosas e curtas de energia. As teorias em andamento incluem explosões magnetares atingindo o meio circundante, causando uma onda de choque, ou rachaduras se formando na superfície de estrelas de nêutrons superdensas. Nesse último ponto, e embora seja difícil de acreditar, os FRBs podem, na verdade, estar conectados a starquakes (ou terremotos estelares) de nêutrons.

Por fim, há a questão das rajadas únicas e das que se repetem. O FRB observado na Via Láctea não parece ser um repetidor, o que “sugere que há uma diferença” e que “algo mais está acontecendo”, disse Bochenek. Na conferência de imprensa, a astrofísica Daniele Michille, coautora do artigo CHIME, disse que diferentes classes de fontes de FRBs são possíveis. Zhang tem a sensação de que os itens únicos provavelmente são repetidores, mas não conseguimos detectar todos os disparos.

Os magnetares, como ele apontou, não morrem após emitir FRBs. Ao mesmo tempo, no entanto, uma fusão de estrelas de nêutrons pode ser responsável ​​por um evento único, ou uma estrela de nêutrons se fundindo com um buraco negro — ambos os quais poderiam produzir FRBs e também resultar na destruição da fonte. Mas apenas uma pequena proporção de FRBs são susceptíveis de ser catastróficos por natureza e, portanto, eventos únicos, de acordo com Zhang.

Quando se trata de entender os FRBs, ainda somos limitados por quantidades escassas de dados, efeitos de seleção observacional problemáticos e as intensas distâncias envolvidas. A detecção de um FRB galáctico em nossa galáxia e a associação a um objeto conhecido representam um grande passo, mas ainda há muito a descobrir. O que aprendemos sobre FRBs nos últimos 13 anos, no entanto, não é nada menos do que surpreendente, e devemos ser otimistas sobre o que aprenderemos nas próximas décadas.