Localizando rajadas de rádio rápidas: mais uma peça do quebra-cabeça

Título: A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance

Autores: K.W. Bannister, A.T. Deller, C. Phillips, et al.

Instituição do primeiro autor: Australia Telescope National Facility, Australia

Status: Publicado na Science, acesso livre no arXiv

Título: A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance

Autores: K.W. Bannister, A.T. Deller, C. Phillips, et al.

Instituição do primeiro autor: Australia Telescope National Facility, Austrália

Status: Publicado na Science, acesso livre no arXiv

Rajadas de rádio rápidas (ou FRBs, do inglês fast radio bursts) são um dos campos da astronomia com maior crescimento recente e continuam a cativar e intrigar cientistas em todo o mundo. Poderosos novos telescópios equipados com tecnologia avançada estão chegando, o que permitirá aos astrônomos compreender o funcionamento desses objetos misteriosos. O primeiro grande avanço no campo foi a descoberta e localização de uma FRB recorrente. Agora, uma equipe de astrônomos fez uma nova descoberta que poderia transformar as teorias de por que e como FRBs acontecem.

O status atual do nosso conhecimento sobre as FRBs

FRBs são surtos ou explosões de radiação intensas e curtas que ocorrem na escala de tempo de milissegundos. Descoberto pela primeira vez por Duncan Lorimer em 2007, esses objetos continuam a surpreender os cientistas. Quando eles foram detectados pela primeira vez, a medida de dispersão (DM, do inglês dispersion measure), que mede a quantidade de material entre nós e uma fonte, apenas disse a eles que o objeto estava fora de nossa galáxia. Mais tarde, veio a descoberta da FRB recorrente. O fato de ser uma fonte recorrente permitiu que os cientistas identificassem sua origem e descobrissem que ela fica em uma nebulosa de rádio luminosa dentro de uma galáxia anã que tem uma alta taxa de formação estelar. Isso levou os astrônomos a acreditar que FRBs poderiam vir de magnetares embebidos em nebulosas de vento de pulsares, ou em ambientes extremos em geral. Por causa de como os telescópios funcionam, a maioria das FRBs é impossível de localizar a menos que ocorram novamente, mas um observatório no hemisfério sul desafiou essa noção.

Localização de uma FRB de pulso único

O Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) é um interferômetro de rádio de 36 antenas localizado no oeste da Austrália. Usando antenas apontadas na mesma direção (o que permitiu que o arranjo agisse como um interferômetro capaz de localização), buscando altas latitudes galácticas, o ASKAP detectou um surto chamado de FRB 180924 (ver Figura 1). Duas equipes analisaram separadamente os dados e derivaram a mesma posição, com uma precisão de 100 milésimos de segundo de arco, o que é incrivelmente preciso para uma explosão extragalática.

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Fig. 1: O perfil de pulso integrado (painel superior) e o espectro dinâmico de descoberta de rajada, que mostra a intensidade do pulso em diferentes frequências (painel inferior).

Para identificar uma galáxia hospedeira, a equipe precisava usar dados nos comprimentos de onda de rádio e ópticos. Ao combinar as observações de arquivos do Dark Energy Survey com imagens mais profundas obtidas pelo Very Large Telescope e com espectros dos telescópios Keck II e Gemini Sul, a fonte foi encontrada próxima ao centro da galáxia DES J214425.25-40540081 (ver Figura 2), mas ligeiramente deslocada. Esta galáxia é uma enorme galáxia lenticular ou, como é comumente chamado na astronomia, uma galáxia espiral early-type (dominada por uma população estelar velha) e tem uma massa estelar total de 2,2 x 1010 massas solares. Ela tem um desvio para o vermelho (ou redshift) de 0,3214, o que indica que está a cerca de 3,6 bilhões de anos-luz de distância. Possui propriedades consistentes com as galáxias LINER, que contêm núcleos com emissão de linha espectral e também apresentam poeira interestelar. A equipe acompanhou a descoberta com o radiotelescópio Parkes por um total de 9 horas, começando 8 dias após a explosão e mais 2 horas, 23 dias após a explosão, não encontrando evidências de pulsação repetida.

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Fig. 2: A localização do surto na galáxia hospedeira identificada pelo Very Large Telescope. A incerteza é mostrada pelo círculo vermelho.

Comparação com o sinal recorrente

As propriedades desta nova explosão e de sua galáxia hospedeira são muito diferentes daquelas da fonte recorrente. Enquanto a fonte anterior veio de uma galáxia anã com baixa massa, baixa metalicidade e alta taxa de formação estelar (o tipo que frequentemente hospeda supernovas superluminosas e rajadas de raios gama), o FRB 180924 vem de uma espiral early-type que é 30x mais luminosa e tem uma taxa insignificante de formação de estrelas. Os ambientes de explosão também são muito diferentes; a fonte recorrente reside em uma nebulosa de rádio contendo plasma altamente magnetizado e dinâmico e é co-localizada com uma fonte de rádio compacta e brilhante, enquanto a nova FRB não mostra nenhuma evidência de ser um ambiente contendo plasma magnetizado e não está localizada perto de uma fonte de rádio persistente . Essas diferenças sugerem que existem duas populações de progenitores em explosão, ou que os progenitores podem ocorrer em diversos ambientes.

FRBs como traçadoras do meio interestelar e intergaláctico

FRBs também podem ser usadas ​​como traçadoras intergalácticas e cosmológicas. O DM mede a densidade eletrônica livre entre nós e a fonte, e o DM, juntamente com o redshift, pode ser usado para estudar o meio intergaláctico. A medida de dispersão tem contribuições do halo e do disco da Via Láctea, do meio intergaláctico e da galáxia hospedeira da explosão. Usando modelos da Via Láctea e do meio intergaláctico, podemos inferir a dispersão da galáxia hospedeira. Usando estes modelos, vemos que a soma de todos os componentes excede a dispersão do FRB em 46 pc/cm3 sem incluir contribuições da galáxia hospedeira e seu halo, o que nos permite estimar a dispersão da galáxia hospedeira. O DM do FRB é consistente com os modelos do meio intergaláctico. A medida de rotação da explosão (que nos diz quanto a luz é girada enquanto passa pelo meio interestelar) pode ser usada para estudar o campo magnético ao longo da linha de visão. Os autores acham que o campo do meio intergaláctico paralelo à linha de visão das rajadas é semelhante ao das explosões pontuais anteriores, mas muito diferente da fonte recorrente.

A descoberta e localização desta nova explosão rápida de rádio representa enormes passos para desvendar o mistério desses sinais. Como as explosões únicas ocorrem aproximadamente 30 vezes mais que as recorrentes, telescópios como o ASKAP nos permitirão aumentar nosso tamanho de amostra de FRBs localizados. O fato de que a explosão veio de uma galáxia massiva com uma baixa taxa de formação de estrelas aponta para o fato de que FRBs vêm de diferentes fontes ou existem duas populações distintas de FRBs. Com novos instrumentos entrando em operação, estamos descobrindo mais explosões todos os dias e, lentamente, nos movendo em direção à resolução do quebra-cabeça dos FRBs.


Adaptado de Localization of a Single Fast Radio Burst to a Massive Early-Type Spiral Galaxy, escrito por Haley Wahl.

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