Uma kilonova após explosão de raios gama

O telescópio espacial Hubble tem fornecido a evidência mais forte até o momento de que explosões de raios gama de curta duração são disparadas pela fusão de dois objetos estelares menores, como um par de estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. A evidência definitiva veio de observações do Hubble feitas na luz infravermelha próxima da bola de fogo em diminuição de brilho produzida depois de uma explosão curta de raios gama (GRB). O brilho revelou pela primeira vez um novo tipo de explosão estelar chamada de kilonova, uma explosão prevista que acompanha uma GRB de curta duração. Uma kilonova é aproximadamente 1.000 vezes mais brilhante do que uma nova, que é causada pela erupção de uma anã branca. Essa explosão estelar, contudo é somente entre 1/10 a 1/100 do brilho de uma típica supernova, a própria detonação de uma estrela massiva.

 

Explosões de raios gama possuem intensa radiação de alta energia que aparece de direções aleatórias no espaço. Explosões de curta duração duram no máximo poucos segundos, mas elas algumas vezes geram brilhos posteriores fracos e a irradiação da luz no infravermelho próximo continua ainda por algumas horas ou dias. Os brilhos posteriores têm ajudado os astrônomos a determinaram que as GRBs localizam-se em galáxias distantes. A causa da GRB de curta duração permanece um mistério. A teoria mais popular descreve que é uma energia lançada enquanto dois objetos compactos se chocam. Mas, até agora, os astrônomos não tinham adquiridos dados suficientes para provar essa forte evidência. Uma equipe de pesquisadores liderada por Nial Tanvir da Universidade de Leicester no Reino Unido, tem usado o Hubble para estudar uma recente explosão de curta duração na luz infravermelha próxima. As observações revelaram o apagamento do brilho posterior de uma explosão de kilonova, evidenciando a hipótese da fusão.

 

“Essa observação finalmente resolve o mistério da origem das explosões de raios gama de curta duração”, disse Tanvir. “Muitos astrônomos, incluindo nosso grupo, já tinham fornecido fortes evidências de que as explosões de raios gama de longa duração (aquelas que duram mais de dois segundos) são produzidas pelo colapso de estrelas extremamente massivas. Mas nós até então só tínhamos evidências fracas sobre o fato das explosões de raios gama de curta duração serem produzidas pela fusão de objetos compactos. Esse resultado agora parece fornecer a prova definitiva para suportar esse cenário”.

 

Os astrofísicos têm previsto que as GRBs de curta duração são criadas quando um par de estrelas de nêutrons super densas em um sistema binário se espiralam conjuntamente. Esse evento acontece à medida que o sistema emite radiação gravitacional. A energia dissipada pelas ondas fazem com que os dois objetos fiquem mais próximos. Nos milissegundos finais, enquanto os dois objetos se fundem, a espiral da morte expele material altamente radioativo. Esse material aquece e expande, emitindo uma explosão de luz. Essa poderosa explosão de uma kilonova emite mais radiação em luz visível e no infravermelho próximo a cada segundo do que o Sol o faz em anos. Uma explosão de kilonova dura aproximadamente uma semana.

 

Num artigo científico recente, Jennifer Barnes e Daniel KAsen da Universidade da Califórnia em Berkely, e do Lawrence Berkeley National Laboratory apresentou novos cálculos prevendo como as kilonovas devem parecer. Os cálculos mostram que o mesmo plasma quente produzindo a radiação também agirá como um bloqueador da luz visível, gerando um reservatório de energia da kilonova inundando de luz do infravermelho próximo por mais alguns dias. Uma inesperada oportunidade para testar esse modelo aconteceu no dia 3 de Junho de 2013 quando o Swift Space Telescope da NASA registrou a explosão de raios gama extremamente brilhante, catalogada como GRB 130603B, numa galáxia localizada a quase 4 bilhões de anos-luz de distância. Embora a explosão inicial de raios gama tenha durado apenas um décimo de segundo, ela foi aproximadamente 100 bilhões de vezes mais brilhante do que subsequente flash de kilonova.

 

A luz visível da explosão posterior foi detectada no William Herschel Telescope e a sua distância foi determinada com o Gran Telescopio Canarias, ambos localizados nas Ilhas Canárias. “Nós rapidamente percebemos que essa era a chance de testar a nova teoria de Barnes e Kasen, usando o Hubble para caçar a kilonova na luz infravermelha próxima”, disse Tanvir. Os cálculos sugerem que a luz seria provavelmente mais brilhante nos comprimentos de onda do infravermelho próximo aproximadamente entre 3 e 11 dias depois da explosão inicial. Os pesquisadores precisaram agir rapidamente antes que a luz se apagasse, então eles requisitaram o Director's Discretionary Observing Time com a Wide Field Camera 3 do Hubble.

 

No dia 12-13 de Junho de 2013 o Hubble buscou pelo local da explosão inicial, identificando um objeto vermelho apagado. Uma análise independente dos dados, realizada por outra equipe de pesquisa confirmou a detecção. Observações subsequentes feitas com o Hubble, três semanas depois, no dia 3 de Julho de 2013, revelaram que a fonte já tinha se apagado, fornecendo assim a evidência fundamental de que essa bola de fogo era de um evento explosivo. Anteriormente, os astrônomos tinham procurado pela explosão posterior de explosões de curto período mais na luz óptica, e realmente não encontraram nada além da luz da própria explosão de raios gama”, explicou Andrew Fruchter, do Space Telescope Science Institute em Baltimore, um membro da equipe de pesquisa de Tanvir.

 

“Mas essa nova teoria previa que quando você comparasse as imagens feitas na luz óptica com aquelas feitas na luz infravermelha próxima de explosões de raios gama de curta duração, aproximadamente uma semana depois da explosão, a kilonova deveria aparecer em infravermelho, e isso é exatamente o que nós temos visto. Além disso para confirmar a natureza das GRBs curtas, a descoberta tinha duas importantes implicações. A primeira, a origem de muitos elementos químicos pesados no Universo, incluindo o ouro, platina, que por muito tempo foi algo misterioso. As kilonovas são previstas para formarem esses elementos em abundância, espalhando-os pelo espaço onde eles se tornariam parte da futura geração de estrelas e planetas.

 

Em segundo lugar, as fusões de objetos compactos são também esperadas por emitirem intensas ondas gravitacionais, previstas pela primeira vez por Albert Einstein. As ondas de gravidade não tinham ainda sido descobertas, mas os novos instrumentos em desenvolvimento podem fazer as primeiras detecções dentro de poucos anos. “Agora, parece que caçando por kilonovas, os astrônomos podem ser capazes de ajustarem conjuntamente os eventos que geram ambos os fenômenos”, disse Tanvir. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature.

Fonte: http://hubblesite.org