Uma explosão de raios gama do passado distante

Título: A blast from the infant Universe: the very high-z GRB 210905A

Autores: A. Rossi, D. D. Frederiks, D. A. Kann, M. De Pasquale, et al.

Instituição do primeiro autor: INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio, Via Piero Gobetti 93/3, 40129 Bologna, Italy

Status: Submetido ao Astronomy & Astrophysics [acesso livre no arXiv]

12.8 bilhões de anos atrás — em uma galáxia muito, muito distante — uma estrela massiva colapsou. Nos 15 minutos seguintes, esta explosão liberou mais de cem quatrilhões de vezes a energia que o nosso Sol terá emitido durante a estimativa de sua vida. Em 5 de Setembro de 2021, esta luz chegou aos detectores a bordo dos satélites Swift e Wind, portanto nos alertando da existência do GRB 210905A — uma das mais longas, distantes, energéticas e luminosas explosões de raios gama que já detectamos.

Então, o que podemos aprender desta formidável explosão?

Detonações audaciosamente distantes

Explosões de raio gamas longas (GRBs, do inglês gamma-ray bursts) como a 210905A ocorrem quando o núcleo de um tipo especial de estrela massiva colapsa em um objeto compacto — como um buraco negro ou um magnetar – enviando as camadas externas da estrela em forma de espiral apontada para dentro do objeto. Conforme o material gira ao redor do núcleo compacto, este “motor central” ejeta um fluxo violento de partículas ultrarrápidas — um jato relativístico — através da estrela em direção ao espaço interestelar. A conversão da imensa energia cinética deste jato em radiação produz algumas faíscas rápidas de raios gama de alta energia; esta emissão imediata constitui, portanto, a explosão que confere nome às GRBs. Ao mesmo tempo, conforme o jato lança uma onda de choque no meio em sua volta, partículas trêmulas e carregadas produzem uma emissão secundária, conhecida como emissão de resplandor — uma fonte de radiação em regime de mais baixas energias, tal como em raios-X, óptico, infravermelho etc. que pode brilhar por meses após o colapso inicial. Juntas, observações da emissão imediata e de resplandor nos permite deduzir propriedades da fonte da GRB e o mecanismo preciso da explosão.

Mas então, por que deveríamos nos importar com estas explosões efêmeras? Particularmente, por que deveríamos nos importar com GRBs que estão a bilhões de anos-luz de distância? A resposta curta: GRBs distantes — sendo uma das entidades mais brilhantes do cosmos – servem como faróis que iluminam o Universo jovem. Ao traçar a luz da GRB, podemos sondar as condições do meio interestelar e intergaláctico. Além disso, uma vez que raios gama são pouco afetados por poeira, bem como outros absorvedores intergalácticos, a emissão de uma GRB longa é uma fonte confiável da taxa de formação estelar em galáxias distantes. Se olharmos profundamente no espaço, devemos ser capazes de enxergar a luz de explosões de raios gama das primeiras estrelas que surgiram no Universo, nos permitindo assim inferir propriedades destes objetos primordiais, além de estimar quando, na histórica cósmica, as primeiras gerações de estrelas deram origem ao que observamos hoje.

Se a GRB 210905A difere das tendências que vemos entre GRBs mais próximas, então podemos ter algo especial em nossas mãos — talvez a explosão de uma das primeiras estrelas já existentes, ou a indicação que as primeiras galáxias apresentavam taxas diferentes de formação estelar. Os autores do artigo de hoje então buscam determinar se a GRB 210905A é realmente extraordinária, ou se é apenas uma extensão de nossa população local de GRBs.

Figura 1: Comparação das curvas de luz do resplandor óptico de uma amostra grande de GRBs longas compilada por D. A. Kann e colaboradores: cada uma dessas curvas de luz foi ajustada para redshift 1 para garantir uma comparação justa. A GRB 210905A está destacada em vermelho, enquanto outros objetos em altos redshifts (z > 6) estão marcados com linhas pretas espessas. O resplandor óptico do 210905A é o mais brilhante entre os objetos que apresentam resplandor maior do que 5 dias pós-explosão. Crédito da imagem: Figura 10 do artigo de hoje.

Caracterizando uma combustão cataclísmica

Os autores começam sua investigação ao ajustar modelos para as curvas de luz (a quantidade de luz emitida vs. tempo transcorrido) e distribuições de energia espectral (a quantidade de luz emitida vs. frequência) da emissão imediata e de resplendor da GRB 210905A. Os autores encontraram que os dados são bem ajustados por um modelo de emissão síncrotron — um dos quais a luz é produzida por partículas espiralando em linhas de campo magnético — consistente com uma GRB longa situado no meio interestelar. Além disso, baseado nas propriedades energéticas da explosão, os autores concluíram que a GRB deve ser alimentada pelas camadas ejetadas do material do buraco negro girante que recaem sobre o jato relativístico.

Esta modelagem permitiu aos autores colocar a GRB 210905A em contexto. 210905A está localizada em um desvio para o vermelho (redshift, em inglês) de 6.312, tornando-se a quinta GRB mais distante já detectada. A energia isotrópica da 210905A — a energia total da emissão imediata caso fosse emitida igualmente em todas as direções — está dentro dos top 7% de todas as GRBs conhecidas hoje, ao passo que a sua energia intrínseca máxima está entre os top 15%. Enquanto isso, os resplandores do óptico e raios-X da 210905A estão entre os mais brilhantes no geral, onde o primeiro leva o prêmio do mais brilhante já detectado no período pós-explosão (ver figura 1). A GRB 210905A é de fato impressionante!

Quantificando a extraordinaridade desta explosão extragaláctica

A fim de realmente quantificar o quão extraordinária é a GRB 210905A, os autores consideram algumas tendências bem estabelecidas na população de GRBs conhecidas. Figura 2 mostra a energia máxima no referencial de repouso vs. a energia e luminosidade isotrópica do raio gama para uma coleção de 315 GRBs através de um grande intervalo de redshifts. A emissão imediata da GRB 210905A é completamente consistente com as tendências estabelecidas. Além disso, a figura 3 mostra que a luminosidade do resplandor em raios-X vs. a energia isotrópica do raio gama em vários instantes pós-explosão. Em cada um deles, a GRB 210905A se ajusta perfeitamente com outras GRBs.

Figura 2: Energia máxima no referencial de repouso vs. energia isotrópica do raio gama (painel esquerdo) e vs. a luminosidade isotrópica do raio gama (painel direito) para 315 GRBs longas com redshifts bem determinados (indicadas pela barra de cor) no catálogo Konus-Wind. As estrelas vermelhas denotam valores totais da emissão imediata da GRB 210905A, enquanto as estrelas marrom dividem a emissão imediata em três pulsos constituintes. 210905A está completamente de acordo com as tendências estabelecidas. Crédito da imagem: Figura 8 do artigo de hoje.

Infelizmente, parece que, comparada a população global de GRBs, 210905A não é particularmente especial. Os autores concluíram que a energia e luminosidade do objeto é baixa demais para ter sido produzida por uma explosão de uma das primeiras estrelas. Adicionalmente, baseado no argumento sobre o tamanho do jato da 210905A, os autores discutem que a taxa de formação estelar na sua galáxia hospedeira não difere significativamente das taxas de formação estelar das galáxias hospedeiras de GRBs mais próximas a nós.

Figura 3: Luminosidade do resplandor de raios-X vs. energia isotrópica de raio gama para uma coleção de GRBs na amostra BAT6 (diamantes pretos), onde o círculo amarelo denota a GRB 210905A. Cada painel corresponde a um momento diferente pós-explosão nos respectivos referenciais de repouso das GRBs. A GRB 210905A correlaciona muito bem com as demais. Crédito da imagem: Figura 11 do artigo de hoje.

Contudo, isto não significa que não devemos ficar animados de modo algum sobre a descoberta da GRB 210905A — por todas as métricas, a detecção de uma GRB a esta distância é um evento incrivelmente raro. Apesar da GRB 210905A não ter fornecidos novas informações sobre as primeiras estrelas ou galáxias, o simples fato que fomos capazes de detectá-la é extremamente promissor para o futuro da astronomia de altas energias! Missões futuras como THESEUS e o Gamow Explorer, em concerto com telescópios de estado-da-arte como o JWST, vão certamente descobrir muito mais objetos como a GRB 210905A. Os próximos anos tem potencial explosivo para descobertas dos mistérios do Universo primordial.

Adaptado de “A Gamma-Ray Blast from the Distant Past”, do astrobites, escrito por Ryan Golant.

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