Maneira nunca antes vista de aniquilar uma estrela

Observatório Internacional de Gêmeos rastreia explosão de raios gama em núcleo de galáxia antiga, sugerindo que estrelas podem sofrer colisões semelhantes a demolição 

Astrônomos que estudam uma poderosa explosão de raios gama (GRB) com o Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, podem ter observado uma maneira nunca antes vista de destruir uma estrela. Ao contrário da maioria dos GRBs, que são causados pela explosão de estrelas massivas ou pela fusão casual de estrelas de nêutrons, os astrônomos concluíram que esse GRB veio da colisão de estrelas ou restos estelares no ambiente congestionado ao redor de um buraco negro supermassivo no núcleo de uma galáxia antiga. Crédito: Observatório Internacional de Gêmeos/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani 

Astrônomos que estudam uma poderosa explosão de raios gama (GRB) com o telescópio Gemini South, operado pelo NOIRLab da NSF, podem ter detectado uma maneira nunca antes vista de destruir uma estrela. Ao contrário da maioria dos GRBs, que são causados pela explosão de estrelas massivas ou pela fusão casual de estrelas de nêutrons, os astrônomos concluíram que esse GRB veio da colisão de estrelas ou restos estelares no ambiente congestionado ao redor de um buraco negro supermassivo no núcleo de uma galáxia antiga. 

A maioria das estrelas do Universo morre de maneiras previsíveis, dependendo de sua massa. Estrelas de massa relativamente baixa, como o nosso Sol, se desprendem de suas camadas externas na velhice e, eventualmente, desaparecem para se tornarem estrelas anãs brancas.

Estrelas mais massivas queimam mais e morrem mais cedo em explosões cataclísmicas de supernovas, criando objetos ultradensos como estrelas de nêutrons e buracos negros. Se dois desses remanescentes estelares formam um sistema binário, eles também podem eventualmente colidir. Novas pesquisas, no entanto, apontam para uma quarta opção há muito hipotetizada, mas nunca antes vista.

Enquanto procuravam as origens de uma explosão de raios gama de longa duração (GRB), astrônomos usando o telescópio Gemini South no Chile, parte do Observatório Internacional Gemini operado pelo NOIRLab da NSF, e outros telescópios, descobriram evidências de uma colisão de estrelas ou restos estelares na região caótica e densamente povoada perto do buraco negro supermassivo de uma galáxia antiga.

"Esses novos resultados mostram que as estrelas podem encontrar seu desaparecimento em algumas das regiões mais densas do Universo, onde podem ser levadas a colidir", disse Andrew Levan, astrônomo da Universidade Radboud, na Holanda, e principal autor de um artigo publicado na revista Nature Astronomy. "Isso é empolgante para entender como as estrelas morrem e para responder a outras perguntas, como quais fontes inesperadas podem criar ondas gravitacionais que poderíamos detectar na Terra."

As galáxias antigas já passaram de seu auge de formação estelar e teriam poucas, se alguma, estrelas gigantes remanescentes, a principal fonte de GRBs longos. Seus núcleos, no entanto, estão repletos de estrelas e uma série de restos estelares ultradensos, como estrelas anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Os astrônomos há muito suspeitam que, na turbulenta colmeia de atividade ao redor de um buraco negro supermassivo, seria apenas uma questão de tempo até que dois bjetos estelares colidam para produzir um GRB. As evidências para esse tipo de fusão, no entanto, têm sido evasivas.

Os primeiros indícios de que tal evento havia ocorrido foram vistos em 19 de outubro de 2019, quando o Observatório Neil Gehrels Swift da Nasa detectou um clarão brilhante de raios gama que durou pouco mais de um minuto. Qualquer GRB com duração superior a dois segundos é considerado "longo". Essas explosões normalmente vêm da morte de estrelas de supernova com pelo menos 10 vezes a massa do nosso Sol – mas nem sempre.

Os pesquisadores então usaram o Gemini South para fazer observações de longo prazo do brilho posterior do GRB para aprender mais sobre suas origens. As observações permitiram aos astrônomos identificar a localização do GRB a uma região a menos de 100 anos-luz do núcleo de uma galáxia antiga, o que o colocou muito perto do buraco negro supermassivo da galáxia. Os pesquisadores também não encontraram evidências de uma supernova correspondente, que deixaria sua marca na luz estudada por Gemini South.

"Nossa observação de acompanhamento nos disse que, em vez de ser uma estrela massiva colapsando, a explosão provavelmente foi causada pela fusão de dois objetos compactos", disse Levan. "Ao identificar sua localização no centro de uma galáxia antiga previamente identificada, tivemos a primeira evidência tentadora de um novo caminho para as estrelas encontrarem seu fim."

Em ambientes galácticos normais, acredita-se que a produção de longos GRBs a partir da colisão de restos estelares, como estrelas de nêutrons e buracos negros, seja rara. Os núcleos de galáxias antigas, no entanto, são tudo menos normais e pode haver um milhão ou mais de estrelas amontoadas em uma região com apenas alguns anos-luz de diâmetro.

Essa densidade populacional extrema pode ser grande o suficiente para que colisões estelares ocasionais possam ocorrer, especialmente sob a influência gravitacional titânica de um buraco negro supermassivo, que perturbaria os movimentos das estrelas e as enviaria em direções aleatórias. Eventualmente, essas estrelas rebeldes se cruzariam e se fundiriam, desencadeando uma explosão titânica que poderia ser observada a grandes distâncias cósmicas.

É possível que tais eventos ocorram rotineiramente em regiões igualmente lotadas em todo o Universo, mas passaram despercebidos até este ponto. Uma possível razão para sua obscuridade é que os centros galácticos estão repletos de poeira e gás, o que poderia obscurecer tanto o flash inicial do GRB quanto o brilho posterior resultante. Este GRB em particular, identificado como GRB 191019A, pode ser uma rara exceção, permitindo que os astrônomos detectem a explosão e estudem seus efeitos posteriores.

Os pesquisadores gostariam de descobrir mais desses eventos. Sua esperança é combinar uma detecção GRB com uma detecção de onda gravitacional correspondente, que revelaria mais sobre sua verdadeira natureza e confirmaria suas origens, mesmo nos ambientes mais sombrios. O Observatório Vera C. Rubin, quando entrar em operação em 2025, será inestimável nesse tipo de pesquisa. 

"Estudar explosões de raios gama como essas é um ótimo exemplo de como o campo é realmente avançado por muitas instalações trabalhando juntas, desde a detecção do GRB, às descobertas de pós-brilhos e distâncias com telescópios como o Gemini, até a dissecação detalhada de eventos com observações em todo o espectro eletromagnético", disse Levan.

"Essas observações aumentam a rica herança de Gêmeos, desenvolvendo nossa compreensão da evolução estelar", diz Martin Still, diretor do programa da NSF para o Observatório Internacional de Gêmeos. "As observações sensíveis ao tempo são um testemunho das operações ágeis e da sensibilidade de Gêmeos a eventos distantes e dinâmicos em todo o Universo."

Fonte: noirlab.edu