A explosão de raios gama mais brilhante já vista veio de uma estrela em colapso

Após uma jornada que durou cerca de dois bilhões de anos, fótons de uma explosão de raios gama (GRB) extremamente energética atingiram os sensores do Observatório Neil Gehrels Swift e do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi em 9 de outubro de 2022. O GRB durou sete minutos, mas ficou visível por muito mais tempo. Até astrônomos amadores detectaram a poderosa explosão nas frequências visíveis.

A visualização deste artista do GRB 221009A mostra os estreitos jatos relativísticos (emergindo de um buraco negro central) que deram origem à explosão de raios gama (GRB) e os restos em expansão da estrela original ejetados através da explosão de supernova. Crédito: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services 

Foi tão poderoso que afetou a atmosfera da Terra, um feito notável para algo a mais de dois bilhões de anos-luz de distância. É o GRB mais brilhante já observado e, desde então, os astrofísicos têm procurado sua fonte. A NASA diz que os GRBs são as explosões mais poderosas do Universo. Eles foram detectados pela primeira vez no final da década de 1960 por satélites americanos lançados para vigiar a URSS. Os americanos estavam preocupados que os russos pudessem continuar testando armas atômicas, apesar de assinarem o Tratado de Proibição de Testes Nucleares de 1963.

Agora, detectamos cerca de um GRB por dia, e eles estão sempre em galáxias distantes. Os astrofísicos se esforçaram para explicá-los, criando diferentes hipóteses. Havia tanta pesquisa sobre eles que, no ano 2.000, uma média de 1,5 artigos sobre GRBs eram publicados em revistas científicas diariamente.

Foram muitas as causas propostas. Alguns pensavam que os GRBs poderiam ser liberados quando cometas colidiam com estrelas de nêutrons. Outros pensaram que poderiam vir de estrelas massivas colapsando para se tornarem buracos negros. Na verdade, os cientistas se perguntaram se quasares, supernovas, pulsares e até aglomerados globulares poderiam ser a causa dos GRBs ou associados a eles de alguma forma.

Os GRBs são confusos porque suas curvas de luz são muito complexas. Não há dois idênticos. Mas os astrofísicos progrediram e aprenderam algumas coisas. GRBs de curta duração são causados pela fusão de duas estrelas de nêutrons ou pela fusão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro. GRBs de longa duração são causados por uma estrela massiva colapsando e formando um buraco negro.

Esta amostra de 12 curvas de luz GRB mostra como não há duas iguais. Crédito de imagem: NASA

Uma nova pesquisa na Nature examinou o ultraenergético GRB 221009A, apelidado de "B.O.A.T: Brightest Of All Time", e encontrou algo surpreendente. Quando foi inicialmente descoberto, os cientistas disseram que foi causado por uma estrela massiva colapsando em um buraco negro. A nova pesquisa não contradiz isso. Mas apresenta um novo mistério: por que não há elementos pesados na supernova recém-descoberta? 

A pesquisa é "Detecção JWST de uma supernova associada ao GRB 221009A sem uma assinatura de processo r". O autor principal é Peter Blanchard, pós-doutorando do Centro Interdisciplinar de Exploração e Pesquisa em Astrofísica (CIERA).

"O GRB era tão brilhante que obscureceu qualquer assinatura potencial de supernova nas primeiras semanas e meses após a explosão", disse Blanchard. "Nessas horas, o chamado afterglow do GRB era como os faróis de um carro vindo direto em sua direção, impedindo que você visse o próprio carro. Então, tivemos que esperar que ela desaparecesse significativamente para nos dar a chance de ver a supernova."

"Quando confirmamos que o GRB foi gerado pelo colapso de uma estrela massiva, isso nos deu a oportunidade de testar uma hipótese de como alguns dos elementos mais pesados do universo são formados", disse o autor principal Blanchard. "Não vimos assinaturas desses elementos pesados, sugerindo que GRBs extremamente energéticos como o B.O.A.T. não produzem esses elementos. Isso não significa que todos os GRBs não os produzam, mas é uma informação fundamental à medida que continuamos a entender de onde vêm esses elementos pesados. Observações futuras com o JWST determinarão se os primos 'normais' do B.O.A.T. produzem esses elementos."

Os cientistas sabem que explosões de supernovas forjam elementos pesados. Eles são uma importante fonte de elementos de oxigênio (número atômico 8) a rubídio (número atômico 37) no meio interestelar. Eles também produzem elementos mais pesados do que isso. Elementos pesados são necessários para formar planetas rochosos como a Terra e para a própria vida. Mas é importante notar que os astrofísicos não entendem completamente como os elementos pesados são produzidos.

Esta tabela periódica do Estúdio de Visualização Científica da NASA mostra de onde vêm os elementos, embora os cientistas ainda tenham alguma incerteza. Crédito de imagem: Goddard Space Flight Center da NASA

Os cientistas naturalmente se perguntaram se um GRB extremamente luminoso como o GRB 221009A produziria elementos ainda mais pesados. Mas não foi isso que encontraram.

"Este evento é particularmente emocionante porque alguns levantaram a hipótese de que uma explosão luminosa de raios gama como a B.O.A.T. poderia produzir muitos elementos pesados como ouro e platina", disse a segunda autora Ashley Villar, da Universidade Harvard e do Centro de Astrofísica | Harvard e Smithsonian. "Se estivessem corretos, o B.O.A.T. deveria ter sido uma mina de ouro. É realmente impressionante que não tenhamos visto nenhuma evidência para esses elementos pesados." 

As estrelas forjam elementos pesados por nucleossíntese. Três processos são responsáveis por isso: o processo p, o processo s e o processo r (processo de captura de prótons, processo lento de captura de nêutrons e o processo de captura rápida de nêutrons). O processo r captura nêutrons mais rápido do que o processo s e é responsável por cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro. O processo r também é responsável pelos isótopos mais estáveis desses elementos pesados.

Isso tudo para ilustrar a importância do processo r no Universo.

Os pesquisadores usaram o JWST para chegar ao fundo do GRB 221009A. O GRB foi obscurecido pela Via Láctea, mas o JWST detecta a luz infravermelha e vê diretamente através do gás e poeira da Via Láctea. O NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do telescópio detecta elementos como oxigênio e cálcio, geralmente encontrados em supernovas. Mas as assinaturas não eram muito brilhantes, uma surpresa considerando o quão brilhante era a supernova.

"Não é mais brilhante do que as supernovas anteriores", disse Blanchard. "Parece bastante normal no contexto de outras supernovas associadas a GRBs menos energéticos. Você pode esperar que a mesma estrela em colapso produzindo um GRB muito energético e brilhante também produziria uma supernova muito energética e brilhante. Mas acontece que não é o caso. Temos esse GRB extremamente luminoso, mas uma supernova normal."

Confirmar a presença da supernova foi um grande passo para entender o GRB 221009A. Mas a falta de uma assinatura do processo r ainda é confusa.

Os cientistas só confirmaram o processo r na fusão de duas estrelas de nêutrons, chamada de explosão de quilonova. Mas há muito poucas fusões de estrelas de nêutrons para explicar a abundância de elementos pesados.

A ilustração deste artista mostra duas estrelas de nêutrons colidindo. Conhecido como um evento "kilonova", eles são o único local confirmado do processo r que forja elementos pesados. Créditos: Elizabeth Wheatley (STScI)

"Provavelmente há outra fonte", disse Blanchard. "Leva muito tempo para que as estrelas binárias de nêutrons se fundam. Duas estrelas em um sistema binário primeiro precisam explodir para deixar para trás estrelas de nêutrons. Então, pode levar bilhões e bilhões de anos para que as duas estrelas de nêutrons se aproximem lentamente e finalmente se fundam.

Mas observações de estrelas muito antigas indicam que partes do universo foram enriquecidas com metais pesados antes que a maioria das estrelas binárias de nêutrons tivesse tempo de se fundir. Isso está nos apontando para um canal alternativo." 

Os pesquisadores se perguntaram se supernovas luminosas como essa podem explicar o resto. As supernovas têm uma camada interna onde elementos mais pesados podem ser sintetizados. Mas essa camada está obscurecida. Só depois que as coisas se acalmam é que a camada interna é visível.

"O material explodido da estrela é opaco nos primeiros momentos, então você só pode ver as camadas externas", disse Blanchard. "Mas uma vez que se expande e esfria, torna-se transparente. Então você pode ver os fótons vindos da camada interna da supernova."

Todos os elementos têm assinaturas espectroscópicas, e o NIRSpec do JWST é um instrumento muito capaz. Mas não conseguiu detectar elementos mais pesados, mesmo na camada interna da supernova.

"Ao examinar o espectro do B.O.A.T., não vimos nenhuma assinatura de elementos pesados, sugerindo que eventos extremos como o GRB 221009A não são fontes primárias", disse Blanshard. "Esta é uma informação crucial à medida que continuamos a tentar identificar onde os elementos mais pesados são formados."

Os cientistas ainda estão incertos sobre o GRB e sua falta de elementos pesados. Mas há outro recurso que pode oferecer uma pista: os jatos.

"Um segundo local proposto do processo r está em núcleos de estrelas massivas em rápida rotação que colapsam em um buraco negro em acreção, produzindo condições semelhantes às consequências de uma fusão BNS", escrevem os autores em seu artigo. "Simulações teóricas sugerem que as saídas de disco de acreção nesses chamados 'colapsares' podem atingir o estado rico em nêutrons necessário para que o processo r ocorra."

As "saídas de disco de acreção" a que os pesquisadores se referem são jatos relativísticos. Quanto mais estreitos são os jatos, mais brilhante e focada é a sua energia.

Eles poderiam desempenhar um papel na forja de elementos pesados?

"É como focar o feixe de uma lanterna em uma coluna estreita, em oposição a um feixe largo que atravessa uma parede inteira", disse Laskar. "Na verdade, este foi um dos jatos mais estreitos vistos para uma explosão de raios gama até agora, o que nos dá uma dica de por que o brilho posterior parecia tão brilhante quanto pareceu. Pode haver outros fatores responsáveis também, uma questão que os pesquisadores estarão estudando nos próximos anos."

Os pesquisadores também usaram o NIRSpec para coletar um espectro da galáxia hospedeira do GRB. Tem a metalicidade mais baixa de qualquer galáxia conhecida por hospedar um GRB. Isso pode ser um fator?

"Este é um dos ambientes de metalicidade mais baixa de qualquer LGRB, que é uma classe de objetos que preferem galáxias de baixa metalicidade, e é, até onde sabemos, o ambiente de metalicidade mais baixa de um GRB-SN até hoje", escrevem os autores em sua pesquisa. "Isso pode sugerir que uma metalicidade muito baixa é necessária para produzir um GRB muito energético."

A galáxia hospedeira também está ativamente formando estrelas. Essa é outra pista?

"O espectro mostra sinais de formação estelar, sugerindo que o ambiente de nascimento da estrela original pode ser diferente dos eventos anteriores", disse Blanshard.

Yijia Li é estudante de pós-graduação na Penn State e coautora do artigo. "Este é outro aspecto único do B.O.A.T. que pode ajudar a explicar suas propriedades", disse Li. "A energia liberada no B.O.A.T. estava completamente fora dos planos, um dos eventos mais energéticos que os humanos já viram. O fato de que ele também parece nascer de gás quase primordial pode ser uma pista importante para entender suas propriedades superlativas."

Este é outro caso em que resolver um mistério leva a outro sem resposta. O JWST foi lançado para responder a algumas de nossas perguntas fundamentais sobre o Universo. Ao confirmar que uma supernova está por trás do GRB mais poderoso já detectado, ela fez parte de seu trabalho.

Mas também encontrou outro mistério e nos deixou pendurados novamente.

O JWST está funcionando como esperado.

Fonte: Universetoday.com