• Começa com um estrondo

Explosão de raios gama é o novo B.O.A.T. - mais brilhante de todos os tempos

Explosões de raios gama estão entre os eventos cósmicos mais energéticos de todos. Em 9 de outubro de 2022, ocorreu um notável: o mais brilhante já visto.

Principais conclusões

• Existem muitos tipos de eventos cataclísmicos no Universo: explosão de anãs brancas, supernovas de colapso do núcleo, hipernovas e até explosões de raios gama.
• Explosões de raios gama são tipicamente os mais energéticos de todos os fenômenos ópticos, com o GRB 080319B de 2008 liberando tanta energia quanto 21 quatrilhões de estrelas de uma só vez.
• Mas esse evento ocorreu em uma galáxia hospedeira localizada a mais de 10 bilhões de anos-luz de distância. Um muito mais próximo, a apenas 1,9 bilhão de anos-luz de distância, foi visto em 2022. Sua energia estava fora dos gráficos: a explosão mais brilhante já vista.

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Aqui no Universo, todos os tipos de eventos luminosos de liberação de energia podem ocorrer. As estrelas fundem elementos leves em elementos mais pesados, liberando energia no processo. As anãs brancas extraem matéria de estrelas companheiras, desencadeando uma nova quando material suficiente se acumula. Os buracos negros se alimentam de matéria, acelerando as partículas a energias tremendas e enviando-as por todo o Universo.

Mas os eventos mais brilhantes são aqueles que liberam a maior quantidade de energia em períodos de tempo extremamente curtos. As anãs brancas explodem em supernovas do tipo Ia, enquanto os núcleos das estrelas massivas colapsam nas supernovas do tipo II: eventos tão energéticos que podem brilhar tanto quanto dezenas de bilhões de estrelas por um tempo. Outras catástrofes – eventos de ruptura de maré, supernovas de instabilidade de pares ou fusões de estrelas de nêutrons – podem emitir temporariamente ainda mais energia do que explosões de supernovas.

Enquanto os eventos mais energéticos de todos são fusões supermassivas de buracos negros , a energia é toda transportada na forma de ondas gravitacionais; não há “brilho” para contemplar. Para algo ser brilhante, ele precisa emitir radiação eletromagnética. Em 2008, foi observada a explosão mais brilhante já vista: explosão de raios gama GRB 080319B. Ele brilhou tanto quanto 21 quatrilhões de sóis, mas apenas por um período muito curto de tempo. No final do ano passado, no entanto, em 9 de outubro de 2022, uma nova explosão de raios gama muito mais próxima foi observada e sua energia estava fora das paradas . Graças a um esforço incrível de várias equipes de cientistas, acabamos de confirmar que esta nova explosão, GRB 221009A , era de fato o B.O.A.T.: o mais brilhante de todos os tempos . Aqui está o que aprendemos.

Esta série de imagens tiradas pelo Telescópio Óptico/Ultravioleta de Swift mostra como o brilho residual de GRB 221009A (circulado) desapareceu ao longo de cerca de 10 horas. Swift estava atrás da Terra quando GRB 221009A ocorreu, mas emergiu da sombra do nosso planeta para capturar essas imagens do brilho posterior. A explosão apareceu na constelação de Sagitta e ocorreu há cerca de 1,9 bilhão de anos. A imagem tem aproximadamente 4 minutos de arco.

A maioria das explosões de raios gama que já vimos foram detectadas por causa de observatórios no espaço que são otimizados para ver raios gama, com os primeiros indícios deles chegando a satélites em órbita baixa da Terra, como o Swift e o Satélites Fermi. Swift e Fermi viram esta notável explosão de raios gama, GRB 221009A, mas não foram os primeiros a detectá-la.

Essa explosão foi tão poderosa que foi detectada pela primeira vez pela Voyager 1, que estava fora do nosso Sistema Solar quando essa luz energética chegou. Em seguida, foi detectado pela missão Gaia da ESA, em torno do ponto L2 Lagrange localizado a 1,5 milhão de quilômetros da Terra, e em seguida pela espaçonave INTEGRAL da ESA, um antigo observatório de raios gama orbitando a 60.000 km da Terra.

Foi então visto pelo telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA, com a explosão saturando completamente as capacidades do detector Fermi: com os fótons detectados possuindo até 18 TeV de energia, energias superiores às alcançadas no Grande Colisor de Hádrons aqui na Terra. Finalmente, quando a explosão passou pela Terra, foi detectada pelos orbitadores Maven e Odyssey em torno de Marte, tornando esta a primeira explosão de raios gama a ser detectada em todo o Sistema Solar.

Este gráfico compara a emissão imediata do B.O.A.T. com a de cinco rajadas de raios gama longas recordes anteriores. O BOAT era tão brilhante que efetivamente cegou a maioria dos instrumentos de raios gama no espaço, incluindo o satélite Fermi da NASA. Como resultado, os dados verdadeiros precisavam ser reconstruídos, o que os cientistas fizeram para criar este gráfico. A emissão imediata de nenhuma outra rajada chega perto.

Antes deste evento, nenhuma explosão de raios gama jamais havia sido vista que fornecesse mais de aproximadamente 500.000 fótons de raios gama por segundo, com a fase de pico de emissão durando não mais do que um breve “blip” de tempo. Mas o GRB 221009A demoliu esses registros anteriores, fornecendo milhões desses fótons de alta energia por segundo por quase um minuto, atingindo um pico de mais de 6 milhões de fótons por segundo e durando cerca de 7 minutos ao todo. (Apesar de alguns rajadas de raios gama de período ultralongo pode exibir emissões de baixa energia que duram horas, sua raridade significa que pouco se sabe sobre sua natureza.) Embora GRB 221009A esteja entre as explosões de raios gama mais próximas, a apenas 1,9 bilhão de anos-luz de distância, é de longe a mais fonte de raios gama brilhante que já vimos.

A grande questão, claro, é por quê.

O que está acontecendo com essa explosão de raios gama, única dentre todas as que já vimos, poderia explicar por que esta não era apenas mais brilhante do que todas as outras, mas por que era muito mais intrinsecamente luminosa, especialmente no parte de raios gama do espectro, do que qualquer outra coisa que já vimos?

Uma dica pode estar em observar as várias explosões de raios gama que detectamos anteriormente, tanto ao longo do tempo quanto nos diferentes comprimentos de onda em que as explosões de raios gama podem ser detectadas. Embora sejam chamadas de “explosões de raios gama”, a verdade é que elas emitem luz de todo o espectro eletromagnético, e há uma boa razão teórica para isso.

Este mapa mostra uma visão de 1 ano de todo o céu de raios gama do satélite Fermi da NASA. As fontes de crescimento e encolhimento são galáxias ativas alimentadas por buracos negros supermassivos, mas os “blips” transitórios que aparecem são as explosões de raios gama tão procuradas.

Existem apenas algumas maneiras diferentes pelas quais as explosões de raios gama ocorrem, e é discutível que o método mais famoso não seja o mais comum, nem produz as explosões de raios gama mais energéticas já vistas. As explosões de raios gama se enquadram em duas categorias: as de longo período, que duram mais de 2 segundos, e as de curto período, que duram menos de 2 segundos.

Como as explosões de raios gama normalmente emitem raios gama apenas por um breve período de tempo e, em seguida, dão lugar a um brilho residual nas porções de raios X, ultravioleta, óptico, infravermelho e rádio do espectro, há uma tremenda oportunidade para observar esses detalhes. . Além disso, a primeira e rápida emissão de raios gama – conhecida como fase “prompt” – geralmente contém informações suficientes para localizar a fonte no céu, tornando possíveis essas observações de acompanhamento.

Embora as explosões de raios gama possam surgir da fusão de duas estrelas de nêutrons, como Fermi e LIGO/Virgo viram em um famoso evento de 2017 , essa classe de eventos quase sempre produz rajadas de raios gama de curto período. De fato, a primeira exceção, onde uma fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons resulta em uma explosão de raios gama de longo período, só foi visto em dezembro de 2022 . Acredita-se que as de longo período, em contraste, surjam de uma supernova de colapso do núcleo, geralmente com jatos altamente colimados. As supernovas de colapso do núcleo mais luminosas podem produzir esses jatos, e acredita-se que as explosões de raios gama mais brilhantes ocorram quando esses jatos apontam diretamente para nós.

Esta ilustração mostra os ingredientes de uma longa explosão de raios gama, o tipo mais comum. O núcleo de uma estrela massiva (à esquerda) entrou em colapso, formando um buraco negro que envia um jato de partículas que se movem através da estrela em colapso e para o espaço quase à velocidade da luz. A radiação em todo o espectro surge do gás ionizado quente (plasma) nas proximidades do buraco negro recém-nascido, colisões entre conchas de gás em movimento rápido dentro do jato (ondas de choque internas) e da borda de ataque do jato conforme ele sobe e interage com o ambiente (choque externo).

Você pode pensar, então, que a maneira inteligente de determinar a natureza dessa explosão de raios gama particularmente brilhante - o B.O.A.T. de explosões de raios gama - seria observar o brilho posterior da explosão com o máximo de detalhes possível. É uma ideia muito inteligente, mas que não funcionou muito bem para GRB 221009A por um motivo bastante infeliz: a galáxia em que ocorreu, há quase 2 bilhões de anos, está localizada quase perfeitamente no plano de nosso planeta. Via Láctea, atrás de suas regiões centrais empoeiradas.

Como resultado, não se sabe se o arrebol de GRB 221009A é consistente com o de uma supernova de colapso do núcleo, porque o tipo de luz que revela tal arrebol - principalmente luz óptica e infravermelha - é muito severamente bloqueado pelo plano de nosso planeta. própria galáxia.

No entanto, a luz em frequências mais altas e mais baixas, incluindo raios-X e luz de rádio, não se importa muito com a poeira no plano central da Via Láctea. Na verdade, há uma vantagem em ter esse evento ocorrendo tão perto do plano da Via Láctea quando se trata de luz de raios-X: a poeira, particularmente as partículas de poeira ricas em grafite dentro da Via Láctea, fazem um excelente trabalho refletindo essas partículas. fótons de alta energia. Como resultado, uma série de anéis concêntricos, correspondendo a reflexões das faixas de poeira em várias distâncias, aparece no detector de instrumentos como o XMM-Newton.

Esses círculos concêntricos, vistos pelo telescópio XMM-Newton da ESA em comprimentos de onda de raios-X, surgem quando a luz de GRB 221009A reflete em várias faixas de poeira no primeiro plano da Via Láctea. Existem 21 características de anéis separadas identificadas, abrangendo de 700 anos-luz a 61.000 anos-luz de distância. As informações dessa explosão revelaram que a poeira é composta em grande parte por grafite à base de carbono.

Esses anéis concêntricos correspondem a nada menos que 21 características de poeira separadas, com o mais próximo aparecendo a apenas 700 anos-luz de distância e o mais distante aparecendo a 61,00 anos-luz de distância: claro do outro lado da Via Láctea da Terra. O que está acontecendo é que a luz da explosão de raios gama - incluindo a fase inicial 'prompt' - está sendo refletida na poeira da Via Láctea, e essa luz refletida chega aos nossos olhos. No entanto, como é um caminho um pouco mais longo para ricochetear na poeira da Via Láctea do que seguir o caminho da “linha reta” da fonte até nossos olhos, há um atraso no sinal que vemos nesses anéis de poeira: o que os astrônomos chamam de eco de luz .

Isso, esperançosamente, nos dará a chance de ver a fase imediata no “replay”, talvez várias vezes, bem como oportunidades de ver e rever várias fases do brilho posterior. E o arrebol em si é muito interessante por causa de quão único é seu comportamento em vários conjuntos de comprimentos de onda. Normalmente, as explosões de raios gama seguem um padrão que vincula seu comportamento em comprimentos de onda: de rádio de comprimento de onda longo a luz óptica de comprimento de onda médio a raios X de comprimento de onda muito curto e luz de raios gama.

Mas o GRB 221009A é particularmente interessante porque não segue o padrão padrão: é a explosão de raios gama mais brilhante já vista em raios gama e também o objeto mais brilhante em raios X. No entanto, quando se trata de luz de rádio, é totalmente normal e, na verdade, está no limite do normal para uma explosão de raios gama.

Este gráfico mostra a energia do B.O.A.T. explosão de raios gama GRB 221009A em energias de raios X, à esquerda, e energias de rádio, à direita. Embora seja o GRB mais brilhante em raios-X de todos, é pouco notável e até fraco em comprimentos de onda de rádio.

Em outras palavras, esse tipo de explosão de raios gama, a classe de longo período, é algo para o qual realmente temos uma espécie de “modelo padrão”, e esse evento específico, GRB 221009A, não se encaixa nele. Quando você tem uma explosão brilhante de raios gama, você espera que ela tenha um brilho residual brilhante de raios X e uma certa aparência óptica, mas também tenha um brilho residual semelhante - pelo menos para esta classe de evento - no rádio. .

Se isso surgiu da maneira que pensamos que a maioria das explosões de raios gama acontece, então esperaríamos que isso viesse de uma supernova de colapso do núcleo que passou por uma fase gigante substancial antes de sua morte, explodindo suas camadas externas expandidas e tenuamente mantidas. em uma série de arrotos e pulsos, criando uma série de conchas de material ao redor do núcleo da estrela. Quando o núcleo colapsa e a estrela morre, ocorre uma supernova, mas em vez de ser puramente esférica, a explosão da supernova emite um conjunto bidirecional de jatos de emissões altamente colimadas.

Pensa-se, normalmente, que o brilho de uma explosão de raios gama corresponde a quão próximo você está da linha de visão desse jato. Este evento se alinha com essa imagem, mas apenas se uma coisa sem precedentes for verdadeira: se esta explosão de raios gama é o jato mais altamente colimado de todos os tempos, e aquele “cone” extremamente estreito de uma coluna acabou de se cruzar com o nosso Sistema solar.

Os raios gama observados pelo Fermi da NASA de GRB 221009A apareceram como uma explosão ultra-energética, onde apenas os fótons com energias superiores a 100 MeV são mostrados. As energias subiram até 18 TeV, mais de 100.000 vezes o limite da ilustração, neste evento, que é a explosão de raios gama mais brilhante de todos os tempos.

Se assumirmos que este é o caso - que os jatos dessa explosão de raios gama foram tão colimados - isso ajuda com um aspecto desse evento notável: isso leva a uma situação em que os jatos de GRB 221009A não eram poderosos demais , mas foram apenas colimados fora dos gráficos. Isso tornaria a explosão mais brilhante já vista, cerca de 1 em 10.000 anos, mas não seria necessariamente o cataclismo mais energético de todos os tempos. Isso ajudaria a explicar por que nenhum brilho posterior de supernova foi visto:

• porque o brilho da explosão de raios gama mais a poeira obscura da Via Láctea nos impede de vê-lo,
• ou porque o buraco negro que se formou a partir da supernova de colapso do núcleo engoliu muito do material que normalmente exibe um brilho residual para que possamos vê-lo.

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Claro, ainda estaria no 99º percentil das explosões de raios gama mais energéticas, mas não seria necessariamente a explosão mais energética já vista. O brilho em uma determinada faixa de comprimento de onda é apenas uma medida de energia; você tem que incluir a energia em todos os comprimentos de onda e também ao longo do tempo para capturar tudo.

Mas também é possível que este seja realmente um evento ultra-energético, que ultrapassou a produção líquida de 21 quatrilhões de estrelas (ou 2,1 × 10 ¹⁶ estrelas; cerca de 50.000 vezes mais estrelas do que as existentes na Via Láctea) alcançado por GRB 080319B. Se assim fosse, poderia até ser uma nova classe de eventos: aqueles cuja natureza não é tão simples quanto as idéias apresentadas até agora.

Um modelo padrão de rajadas de raios gama não corresponde aos pontos de dados observados na explosão de raios gama mais brilhante já vista, GRB 221009A. A incompatibilidade entre observações e expectativas é substancial e sugere que algo fora do padrão pode estar acontecendo com esse evento incrivelmente brilhante.

Uma explicação possível para a colimação incrível e sem precedentes dos jatos de GRB 221009A é a presença de fortes campos magnéticos. Sabemos que alguns dos campos magnéticos mais fortes do Universo são gerados por um tipo especial de estrela de nêutrons chamada magnetar, e também sabemos que as estrelas de nêutrons são um dos remanescentes mais comuns (juntamente com os buracos negros) produzidos pelo colapso do núcleo. supernovas. Seria possível, então, que uma supernova de colapso do núcleo criasse esses campos magnéticos ultrafortes, colimando seus jatos de maneira primorosa e causando a explosão de raios gama mais brilhante de todos os tempos?

Nesse caso, o que você esperaria ver seria uma luz substancialmente polarizada, o que é completamente consistente com o que uma variedade de observatórios espaciais observaram. Como sabemos esperar ecos de luz desse evento no futuro e porque sabemos exatamente onde olhar e como medir a polarização, esse será um modelo que deve ser testado quando esses vários ecos chegarem.

Ainda não sabemos por que os jatos deste evento foram tão excepcionalmente colimados, mas a presença de campos magnéticos fortes e ordenados é um culpado razoável para se suspeitar.

Esta imagem infravermelha de quatro bandas do rescaldo de GRB 221009A foi obtida apenas 5 dias após a primeira detecção da explosão pelo telescópio Gemini South no Chile. A localização do GRB 221009A é indicada com linhas brancas e se destaca em cores do restante do campo.

É possível que uma assimetria geométrica no material em torno de uma supernova de colapso do núcleo também possa levar a um jato altamente colimado, assim como a pressão de algum tipo de meio confinante externo. Além disso, embora muito poucas pessoas estejam considerando a possibilidade no momento, ainda não está descartado que uma coluna central incrivelmente brilhante, dentro de um jato fino e cônico típico de uma explosão de raios gama, possa ser uma característica relativamente comum. O que pode tornar o GRB 221009A tão notável não é necessariamente qualquer propriedade intrínseca fora do comum que ele possua, mas sim quão perfeitamente orientados seus jatos podem estar em relação a nós mesmos. Talvez este seja apenas o primeiro evento desse tipo a se alinhar por acaso conosco dessa maneira, explicando a quantidade excessiva de emissão imediata observada.

Independentemente do que o causou, está claro que medimos o sinal eletromagnético mais brilhante já registrado pela humanidade quando observamos a fase inicial imediata desta explosão de raios gama GRB 221009A: o B.O.A.T. A maneira de aprender mais sobre isso é não apenas medir com que precisão o jato é colimado, que é a chave para entender a energia desse objeto, mas também observar muitas outras explosões de raios gama com instrumentação superior e melhor sensibilidade. Embora mais informações estejam chegando sobre este evento, inclusive na fase pós-luminescência, esta descoberta realmente abre um novo conjunto de fronteiras em nossa tentativa de entender o Universo de alta energia.

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