GRB 221009A: a explosão de raios gama mais brilhante já vislumbrada revela segredos das maiores explosões cósmicas

Cientistas estudam a GRB 221009A – uma explosão de raios gama que ocorre a cada 10.000 anos

No domingo, 9 de outubro de 2022, um pulso de intensa radiação varreu o sistema solar tão excepcionalmente que os astrônomos rapidamente o apelidaram de ‘BOAT’ (brightest of all time) – o mais brilhante de todos os tempos. A poderosa fonte foi originada de uma explosão de raios gama (GRB – Gamma Ray Burst), a classe mais poderosa de explosões do Universo.

A explosão acionou detectores em várias espaçonaves e observatórios em todo o mundo acompanharam. Depois de analisar todos esses dados, os astrônomos agora podem caracterizar o quão brilhante era e entender melhor seu impacto científico.

Eric Burns, professor assistente de física e astronomia na Louisiana State University em Baton Rouge, liderou uma análise de cerca de 7.000 GRBs ( a maioria detectada pelo Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA e o instrumento russo Konus na espaçonave Wind da NASA ) para estabelecer a frequência com que eventos tão brilhantes podem ocorrer. A resposta dos cientistas: uma vez a cada 10.000 anos. Eric declarou:

GRB 221009A foi provavelmente a explosão mais brilhante nas energias de raios-X e raios gama desde o início da civilização humana.

Eric Burns

A explosão foi tão brilhante que efetivamente cegou a maioria dos instrumentos de raios gama no espaço, o que significa que infelizmente eles não puderam registrar diretamente a intensidade real da emissão. Cientistas americanos conseguiram reconstruir essas informações a partir dos dados do observatório espacial de raios gama FERMI. Os pesquisadores americanos em sequência compararam os resultados com os da equipe russa trabalhando em dados Konus e equipes chinesas analisando observações do detector GECAM-C em seu satélite SATech-01 e instrumentos em seu observatório Insight-HXMT. Juntos, eles provam que a explosão foi 70 vezes mais brilhante do que qualquer outra já vista.

Burns e outros cientistas apresentaram novas descobertas sobre o BOAT na reunião da Divisão de Astrofísica de Alta Energia da American Astronomical Society em Waikoloa, Havaí. As observações da explosão abrangem o espectro, de ondas de rádio a raios gama, e incluem dados de muitas missões da NASA e de parceiros, incluindo o telescópio de raios X NICER na Estação Espacial Internacional, o observatório NuSTAR da NASA e até a espaçonave Voyager 1 no espaço interestelar. Documentos descrevendo os resultados apresentados aparecem em uma edição especial do The Astrophysical Journal Letters.

A radiação da GRB 221009A viajou por cerca de 1,9 bilhão de anos antes de chegar à Terra, tornando-se um dos GRBs “longos” mais próximos conhecidos, cuja emissão inicial ou imediata dura mais de dois segundos. Os astrônomos acham que essas explosões representam os gritos de nascimento de buracos negros formados quando os núcleos de estrelas massivas colapsam sob seu próprio peso. À medida que ingere rapidamente a matéria circundante, o buraco negro emite jatos em direções opostas contendo partículas aceleradas próximas à velocidade da luz. Esses jatos perfuram a estrela, emitindo raios-X e raios gama à medida que fluem para o espaço.

Com esse tipo de GRB, os astrônomos esperam encontrar uma supernova brilhante algumas semanas depois, mas até agora isso se mostrou evasivo. Uma razão é que o GRB apareceu em uma parte do céu que fica apenas alguns graus acima do plano de nossa própria galáxia, onde espessas nuvens de poeira podem diminuir bastante a luz recebida.

Andrew Levan, professor de astrofísica na Radboud University em Nijmegen, Holanda, declarou:

Não podemos dizer conclusivamente que há uma supernova, o que é surpreendente dado o brilho da explosão.

Andrew Levan

Como as nuvens de poeira se tornam mais transparentes nos comprimentos de onda do infravermelho, Levan liderou observações no infravermelho próximo e médio usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA – seu primeiro uso para esse tipo de estudo – bem como o Telescópio Espacial Hubble para detectar a supernova.

Se estiver lá, é muito fraco. Planejamos continuar procurando, mas é possível que toda a estrela tenha entrado em colapso direto no buraco negro em vez de explodir.

Andrew Levan

Observações adicionais do Webb e do Hubble estão planejadas para os próximos meses.

À medida que os jatos continuam a se expandir em material ao redor da estrela condenada, eles produzem um brilho residual de vários comprimentos de onda que desaparece gradualmente.

Kate Alexander, professora assistente no departamento de astronomia da Universidade do Arizona em Tucson, explicou:

Estando tão perto e tão brilhante, essa explosão nos ofereceu uma oportunidade sem precedentes de coletar observações do brilho posterior em todo o espectro eletromagnético e testar o quão bem nossos modelos refletem o que realmente está acontecendo nos jatos GRB. Vinte e cinco anos de modelos de pós-luminescência que funcionaram muito bem não podem explicar completamente este jato. Em particular, encontramos um novo componente de rádio que não entendemos completamente. Isso pode indicar estrutura adicional dentro do jato ou sugerir a necessidade de revisar nossos modelos de como os jatos GRB interagem com o ambiente.

Kate Alexander

Os próprios jatos não eram extraordinariamente poderosos, mas eram excepcionalmente estreitos – muito parecidos com o jato de uma mangueira de jardim – e um destes estava apontado diretamente para nós, explicou Alexander. Quanto mais de frente vemos um jato, mais brilhante ele aparece. Embora o brilho residual tenha sido inesperadamente fraco nas energias de rádio, é provável que o pós-brilho da GRB 221009A permaneça detectável por anos, proporcionando uma nova oportunidade de rastrear o ciclo de vida completo de um poderoso jato.

A explosão também permitiu aos astrônomos sondar nuvens de poeira distantes em nossa própria galáxia. À medida que os raios-X imediatos viajavam em nossa direção, alguns deles refletiam nas camadas de poeira, criando “ecos de luz” estendidos da explosão inicial na forma de anéis de raios-X expandindo-se a partir do local da explosão. O telescópio de raios-X no Observatório Neil Gehrels Swift da NASA descobriu a presença de uma série de ecos. O acompanhamento detalhado do telescópio XMM-Newton da ESA (a Agência Espacial Europeia), juntamente com os dados do Swift, revelou que esses anéis extraordinários foram produzidos por 21 nuvens de poeira distintas.

Sérgio Campana, diretor de pesquisa do Observatório de Brera e do Instituto Nacional de Astrofísica de Merate, Itália, afirmou:

Como as nuvens de poeira dispersam os raios-X depende de suas distâncias, dos tamanhos dos grãos de poeira e das energias dos raios-X. Conseguimos usar os anéis para reconstruir parte da emissão imediata de raios-X da explosão e determinar onde estão localizadas as nuvens de poeira em nossa galáxia.

Sérgio Campana

GRB 221009A é a sétima explosão de raios gama a exibir anéis de raios-X e triplica o número visto anteriormente em torno de um. Os ecos vieram da poeira localizada entre 700 e 61.000 anos-luz de distância. Os ecos mais distantes – nítidos do outro lado da nossa Via Láctea – também estavam 4.600 anos-luz acima do plano central da galáxia, onde reside o sistema solar.

Por fim, a explosão oferece uma oportunidade de explorar uma grande questão cósmica.

Michela Negro, astrofísica da Universidade de Maryland, condado de Baltimore, e do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, indagou:

Pensamos nos buracos negros como coisas que tudo consomem, mas eles também devolvem energia ao Universo?

Michela Negro

Sua equipe conseguiu sondar os anéis de poeira com o Imaging X-ray Polarimetry Explorer da NASA para vislumbrar como a emissão imediata foi organizada, o que pode fornecer informações sobre como os jatos se formam. Além disso, um pequeno grau de polarização observado na fase pós-luminescência confirma que vimos o jato quase diretamente de frente.

Juntamente com medições semelhantes agora estudadas por uma equipe usando dados do observatório INTEGRAL da ESA, os cientistas dizem que pode ser possível provar que os jatos do BOAT foram alimentados pela energia de um campo magnético amplificado pela rotação do buraco negro. Previsões baseadas em tais modelos já explicaram com sucesso outros aspectos dessa explosão.

Fontes

CfA Havard & Smithsonian: Brightest Gamma-Ray Burst Ever Observed Reveals New Mysteries of Cosmic Explosions

ESA: Brightest gamma-ray burst illuminates our galaxy as never before

NASA: NASA Missions Study What May Be a 1-In-10,000-Year Gamma-ray Burst

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