23.6: O mistério das explosões de raios gama
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Faça uma breve história de como as explosões de raios gama foram descobertas e quais instrumentos tornaram a descoberta possível
- Explique por que os astrônomos acham que as explosões de raios gama transmitem sua energia em vez de irradiar uniformemente em todas as direções
- Descreva como a radiação de uma explosão de raios gama e seu resplendor é produzida
- Explique como as explosões de raios gama de curta duração diferem das mais longas e descreva o processo que produz explosões de raios gama de curta duração
- Explique por que explosões de raios gama podem nos ajudar a entender o universo primitivo
Todo mundo adora um bom mistério, e os astrônomos não são exceção. O mistério que discutiremos nesta seção foi descoberto pela primeira vez em meados da década de 1960, não por meio de pesquisas astronômicas, mas como resultado de uma busca pelos sinais reveladores de explosões de armas nucleares. O Departamento de Defesa dos EUA lançou uma série de satélites Vela para garantir que nenhum país estivesse violando um tratado que proibia a detonação de armas nucleares no espaço.
Como as explosões nucleares produzem a forma mais energética de ondas eletromagnéticas chamadas raios gama (veja Radiação e Espectros), os satélites Vela continham detectores para procurar esse tipo de radiação. Os satélites não detectaram nenhum evento confirmado de atividades humanas, mas, para surpresa de todos, detectaram rajadas curtas de raios gama vindos de direções aleatórias no céu. A notícia da descoberta foi publicada pela primeira vez em 1973; no entanto, a origem das explosões permaneceu um mistério. Ninguém sabia o que produzia os breves flashes dos raios gama ou a que distância estavam as fontes.
De algumas explosões a milhares
Com o lançamento do Observatório Compton de Raios Gamma pela NASA em 1991, os astrônomos começaram a identificar muitas outras explosões e a aprender mais sobre elas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Aproximadamente uma vez por dia, o satélite da NASA detectou um flash de raios gama em algum lugar do céu que durou de uma fração de segundo a várias centenas de segundos. Antes das medições de Compton, os astrônomos esperavam que o lugar mais provável de origem das explosões fosse o disco principal de nossa própria galáxia (em forma de panqueca). Se fosse esse o caso, no entanto, mais explosões teriam sido vistas no plano lotado da Via Láctea do que acima ou abaixo dela. Em vez disso, as fontes das explosões foram distribuídas isotropicalmente; ou seja, elas podiam aparecer em qualquer lugar do céu sem preferência por uma região em detrimento de outra. Quase nunca uma segunda explosão veio do mesmo local.
Para ter uma boa noção visual do grau em que as explosões vêm de todo o céu, assista a este pequeno vídeo animado da NASA mostrando a localização das primeiras 500 explosões encontradas pelo posterior satélite Swift.
Por vários anos, os astrônomos debateram ativamente se as fontes de explosão estavam relativamente próximas ou muito distantes — as duas possibilidades de explosões que são distribuídas isotropicalmente. Locais próximos podem incluir a nuvem de cometas que circunda o sistema solar ou o halo de nossa galáxia, que é grande e esférica, e também nos cerca em todas as direções. Se, por outro lado, as explosões ocorrerem a distâncias muito grandes, elas poderiam vir de galáxias distantes, que também estão distribuídas uniformemente em todas as direções.
Tanto as hipóteses muito locais quanto as muito distantes exigiam que algo estranho estivesse acontecendo. Se as explosões vinham dos confins frios de nosso próprio sistema solar ou do halo de nossa galáxia, então os astrônomos tiveram que hipotetizar algum novo tipo de processo físico que poderia produzir flashes imprevisíveis de raios gama de alta energia nessas regiões do espaço, de outra forma silenciosas. E se as explosões vieram de galáxias a milhões ou bilhões de anos-luz de distância, então elas devem ser extremamente poderosas para serem observáveis a distâncias tão grandes; na verdade, elas deveriam estar entre as maiores explosões do universo.
O primeiro resplendor
O problema de tentar descobrir a origem das explosões de raios gama era que nossos instrumentos para detectar raios gama não conseguiam identificar o local exato no céu onde a explosão estava acontecendo. Os primeiros telescópios de raios gama não tinham resolução suficiente. Isso foi frustrante porque os astrônomos suspeitavam que, se conseguissem identificar a posição exata de uma dessas explosões rápidas, seriam capazes de identificar uma contraparte (como uma estrela ou galáxia) em outros comprimentos de onda e aprender muito mais sobre a explosão, incluindo de onde ela veio. Isso, no entanto, exigiria grandes melhorias na tecnologia do detector de raios gama para fornecer melhor resolução ou a detecção da explosão em algum outro comprimento de onda. No final, ambas as técnicas desempenharam um papel.
A descoberta veio com o lançamento do satélite italiano holandês BeppoSAX em 1996. O BepposaX incluiu um novo tipo de telescópio de raios gama capaz de identificar a posição de uma fonte com muito mais precisão do que os instrumentos anteriores, até alguns minutos de arco no céu. Por si só, no entanto, ainda não era sofisticado o suficiente para determinar a origem exata da explosão de raios gama. Afinal, uma caixa de alguns minutos de arco em um lado ainda pode conter muitas estrelas ou outros objetos celestes.
No entanto, a resolução angular do BeppoSAX foi boa o suficiente para dizer aos astrônomos para onde apontar outros telescópios mais precisos na esperança de detectar emissões eletromagnéticas de vida mais longa das explosões em outros comprimentos de onda. A detecção de uma explosão em comprimentos de onda de luz visível ou rádio pode fornecer uma posição precisa de alguns segundos de arco e permitir que a posição seja apontada para uma estrela ou galáxia individual. A BepPosaX carregava seu próprio telescópio de raios-X a bordo da espaçonave para procurar tal contraparte, e astrônomos usando luz visível e instalações de rádio no solo também estavam ansiosos para pesquisar esses comprimentos de onda.
Duas observações cruciais da explosão do BeppoSax em 1997 ajudaram a resolver o mistério das explosões de raios gama. A primeira explosão veio em fevereiro da direção da constelação de Orion. Em 8 horas, astrônomos que trabalhavam com o satélite identificaram a posição da explosão e reorientaram a espaçonave para focar o detector de raios-X da BeppoSax na fonte. Para sua empolgação, eles detectaram uma fonte de raios-X que estava desaparecendo lentamente 8 horas após o evento — a primeira detecção bem-sucedida de um resplendor resultante de uma explosão de raios gama. Isso proporcionou uma localização ainda melhor da explosão (com precisão de cerca de 40 segundos de arco), que foi então distribuída aos astrônomos de todo o mundo para tentar detectá-la em comprimentos de onda ainda maiores.
Naquela mesma noite, o telescópio William Herschel de 4,2 metros, nas Ilhas Canárias, encontrou uma fonte de luz visível esmaecida na mesma posição do resplendor de raios-X, confirmando que esse brilho residual também poderia ser detectado na luz visível. Eventualmente, o brilho residual desapareceu, mas deixada para trás no local da explosão original de raios gama havia uma fonte fraca e difusa exatamente onde estava o ponto de esmaecimento da luz: uma galáxia distante (Figura\(\PageIndex{2}\)). Essa foi a primeira evidência de que explosões de raios gama eram, de fato, objetos muito energéticos vindos de muito longe. No entanto, também era possível que a fonte de explosão estivesse muito mais próxima de nós e simplesmente se alinhasse com uma galáxia mais distante, então essa observação por si só não foi uma demonstração conclusiva da origem extragalática das explosões de raios gama.
Em 8 de maio do mesmo ano, uma explosão veio da direção da constelação de Camelopardalis. Em um esforço internacional coordenado, o BeppoSAX fixou novamente uma posição razoavelmente precisa e, quase imediatamente, um telescópio no Kitt Peak, no Arizona, conseguiu captar o brilho residual da luz visível. Em 2 dias, o maior telescópio do mundo (o Keck no Havaí) coletou luz suficiente para registrar um espectro da explosão. O espectro do resplendor da explosão de raios gama de maio mostrou características de absorção de um objeto difuso que estava a 4 bilhões de anos-luz do Sol, o que significa que o local da explosão deveria estar pelo menos tão distante — e possivelmente ainda mais distante. (Como os astrônomos podem obter a distância de um objeto desse tipo a partir da mudança de Doppler no espectro é algo que discutiremos em Galáxias.) O que esse espectro mostrou foi uma evidência clara de que a explosão de raios gama havia ocorrido em uma galáxia distante.
Rede para detectar mais explosões
Depois que as observações iniciais mostraram que os locais precisos e o brilho residual das explosões de raios gama poderiam ser encontrados, os astrônomos montaram um sistema para capturar e identificar explosões regularmente. Mas, para responder o mais rápido necessário para obter resultados utilizáveis, os astrônomos perceberam que precisavam confiar em sistemas automatizados em vez de observadores humanos estarem no lugar certo na hora certa.
Agora, quando um telescópio de alta energia em órbita descobre uma explosão, sua localização aproximada é imediatamente transmitida para uma Rede de Coordenadas de Raios Gamma baseada no Goddard Space Flight Center da NASA, alertando observadores no solo em poucos segundos para procurar o brilho residual da luz visível.
O primeiro grande sucesso com esse sistema foi alcançado por uma equipe de astrônomos da Universidade de Michigan, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e dos Laboratórios Nacionais de Los Alamos, que projetaram um dispositivo automatizado chamado de Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE). ), que detectou uma contrapartida de luz visível muito brilhante em 1999. No auge, a explosão foi quase tão brilhante quanto Netuno, apesar de uma distância (medida posteriormente por espectros de telescópios maiores) de 9 bilhões de anos-luz.
Mais recentemente, os astrônomos conseguiram levar isso um passo adiante, usando telescópios de amplo campo de visão para observar grandes frações do céu na esperança de que uma explosão de raios gama ocorra no lugar e hora certos e seja registrada pela câmera do telescópio. Esses telescópios de campo amplo não são sensíveis a fontes fracas, mas o ROTSE mostrou que o brilho residual da explosão de raios gama às vezes pode ser muito brilhante.
As esperanças dos astrônomos foram justificadas em março de 2008, quando ocorreu uma explosão de raios gama extremamente brilhante e sua luz foi capturada por dois sistemas de câmeras de campo amplo no Chile: o polonês “Pi do Céu” e o russo-italiano TORTORA [Telescopio Ottimizzato per la Ricerca dei Transienti Ottici Rapidi (italiano para Telescópio otimizado para a pesquisa de transientes ópticos rápidos)] (Figura\(\PageIndex{3}\)). De acordo com os dados obtidos por esses telescópios, por um período de cerca de 30 segundos, a luz da explosão de raios gama era brilhante o suficiente para poder ter sido vista a olho nu se uma pessoa estivesse olhando para o lugar certo na hora certa. Além do nosso espanto, observações posteriores feitas por telescópios maiores demonstraram que a explosão ocorreu a uma distância de 8 bilhões de anos-luz da Terra!
Para feixe ou não para feixe
As enormes distâncias até esses eventos significavam que eles deveriam ter sido incrivelmente enérgicos para parecerem tão brilhantes quanto estavam em uma distância tão grande. Na verdade, eles precisavam de tanta energia que isso representava um problema para os modelos de explosão de raios gama: se a fonte estivesse irradiando energia em todas as direções, a energia liberada somente nos raios gama durante uma explosão brilhante (como os eventos de 1999 ou 2008) teria sido equivalente à energia produzida se toda a massa de uma estrela parecida com o Sol foram repentinamente convertidos em radiação pura.
Para uma fonte produzir tanta energia tão rapidamente (em uma explosão) é um verdadeiro desafio. Mesmo que a estrela que produziu a explosão de raios gama fosse muito mais massiva que o Sol (como provavelmente é o caso), não há meios conhecidos de converter tanta massa em radiação em questão de segundos. No entanto, existe uma maneira de reduzir a potência necessária do “mecanismo” que produz explosões de raios gama. Até agora, nossa discussão presumiu que a fonte dos raios gama emite a mesma quantidade de energia em todas as direções, como uma lâmpada incandescente.
Mas, como discutimos em Pulsares e a descoberta de estrelas de nêutrons, nem todas as fontes de radiação no universo são assim. Alguns produzem feixes finos de radiação que são concentrados em apenas uma ou duas direções. Um ponteiro laser e um farol no oceano são exemplos dessas fontes radiadas na Terra (Figura\(\PageIndex{4}\)). Se, quando ocorre uma explosão, os raios gama saírem em apenas um ou dois feixes estreitos, então nossas estimativas da luminosidade da fonte podem ser reduzidas e as explosões podem ser mais fáceis de explicar. Nesse caso, no entanto, o feixe tem que apontar para a Terra para que possamos ver a explosão. Isso, por sua vez, implicaria que, para cada explosão que vemos da Terra, provavelmente existem muitas outras que nunca detectamos porque seus feixes apontam para outras direções.
Explosões de raios gama de longa duração: estrelas explosivas
Depois de identificar e acompanhar um grande número de explosões de raios gama, os astrônomos começaram a reunir pistas sobre que tipo de evento é considerado responsável por produzir a explosão de raios gama. Ou melhor, que tipo de eventos, porque existem pelo menos dois tipos distintos de explosões de raios gama. As duas, assim como os diferentes tipos de supernovas, são produzidas de maneiras completamente diferentes.
Observacionalmente, a distinção crucial é quanto tempo dura a explosão. Os astrônomos agora dividem as explosões de raios gama em duas categorias: as de curta duração (definidas como durando menos de 2 segundos, mas normalmente uma fração de segundo) e as de longa duração (definidas como durando mais de 2 segundos, mas normalmente cerca de um minuto).
Todos os exemplos que discutimos até agora dizem respeito às explosões de raios gama de longa duração. Eles constituem a maioria das explosões de raios gama que nossos satélites detectam e também são mais brilhantes e fáceis de identificar. Muitas centenas de explosões de raios gama de longa duração e as propriedades das galáxias nas quais elas ocorreram já foram estudadas em detalhes. Observa-se universalmente que explosões de raios gama de longa duração vêm de galáxias distantes que ainda estão ativamente formando estrelas. Geralmente, eles estão localizados em regiões da galáxia com forte atividade de formação estelar (como braços espirais). Lembre-se de que quanto mais massiva uma estrela, menos tempo ela passa em cada estágio de sua vida. Isso sugere que as explosões vêm de um tipo de estrela jovem e de curta duração e, portanto, massiva.
Além disso, em vários casos em que ocorreu uma explosão em uma galáxia relativamente próxima à Terra (dentro de alguns bilhões de anos-luz), foi possível procurar uma supernova na mesma posição — e em quase todos esses casos, os astrônomos encontraram evidências de uma supernova do tipo Ic explodindo. Um tipo Ic é um tipo específico de supernova, que não discutimos nas partes anteriores deste capítulo; elas são produzidas por uma estrela massiva que foi despojada de sua camada externa de hidrogênio. No entanto, apenas uma pequena fração das supernovas do tipo Ic produz explosões de raios gama.
Por que uma estrela massiva com suas camadas externas ausentes às vezes produz uma explosão de raios gama ao mesmo tempo em que explode como uma supernova? A explicação que os astrônomos têm em mente para a energia extra é o colapso do núcleo da estrela para formar um buraco negro magnético giratório ou estrela de nêutrons. Como o cadáver da estrela é magnético e girar rapidamente, seu colapso repentino é complexo e pode produzir jatos rodopiantes de partículas e poderosos feixes de radiação, assim como em um quasar ou núcleo galáctico ativo (objetos que você aprenderá sobre galáxias ativas, quasares e buracos negros supermassivos), mas em um escala de tempo muito mais rápida. Uma pequena quantidade da massa que cai é ejetada em um feixe estreito, movendo-se a velocidades próximas à da luz. As colisões entre as partículas no feixe podem produzir intensas explosões de energia que vemos como uma explosão de raios gama.
Em poucos minutos, a explosão em expansão da bola de fogo atinge a matéria interestelar na vizinhança da estrela moribunda. Essa matéria pode ter sido ejetada da própria estrela em estágios iniciais de sua evolução. Alternativamente, pode ser o gás do qual a estrela massiva e seus vizinhos se formaram.
À medida que as partículas de alta velocidade da explosão são desaceleradas, elas transferem sua energia para a matéria circundante na forma de uma onda de choque. Esse material chocado emite radiação em comprimentos de onda maiores. Isso explica o brilho residual de raios X, luz visível e ondas de rádio — o brilho vem em comprimentos de onda cada vez maiores à medida que a explosão continua perdendo energia.
Explosões de raios gama de curta duração: cadáveres estelares em colisão
E quanto às explosões mais curtas de raios gama? A emissão de raios gama desses eventos dura menos de 2 segundos e, em alguns casos, pode durar apenas milissegundos — um tempo incrivelmente curto. Essa escala de tempo é difícil de alcançar se forem produzidas da mesma forma que explosões de raios gama de longa duração, já que o colapso do interior estelar no buraco negro deve levar pelo menos alguns segundos.
Os astrônomos procuraram inutilmente o brilho residual de explosões de raios gama de curta duração encontradas pelo BeppoSax e outros satélites. Evidentemente, o brilho residual desaparece muito rapidamente. Telescópios de luz visível de resposta rápida, como o ROTSE, também não foram úteis: não importa a rapidez com que esses telescópios respondessem, as explosões não eram brilhantes o suficiente em comprimentos de onda visíveis para serem detectadas por esses pequenos telescópios.
Mais uma vez, foi preciso um novo satélite para esclarecer o mistério. Nesse caso, foi o Swift Gamma-Ray Burst Satellite, lançado em 2004 por uma colaboração entre a NASA e as agências espaciais da Itália e do Reino Unido (Figura\(\PageIndex{5}\)). O design do Swift é semelhante ao do BepposaX. No entanto, o Swift é muito mais ágil e flexível: após uma explosão de raios gama, os telescópios de raios X e UV podem ser reposicionados automaticamente em alguns minutos (em vez de algumas horas). Assim, os astrônomos podem observar o resplendor muito mais cedo, quando se espera que ele seja muito mais brilhante. Além disso, o telescópio de raios-X é muito mais sensível e pode fornecer posições 30 vezes mais precisas do que as fornecidas pelo BeppoSAX, permitindo que explosões sejam identificadas mesmo sem luz visível ou observações de rádio
Em 9 de maio de 2005, Swift detectou um flash de raios gama com duração de 0,13 segundos, originários da constelação de Coma Berenices. Surpreendentemente, a galáxia na posição de raio-X parecia completamente diferente de qualquer galáxia na qual havia sido observada uma explosão de longa duração. O brilho residual se originou do halo de uma galáxia elíptica gigante a 2,7 bilhões de anos-luz de distância, sem sinais de estrelas jovens e massivas em seu espectro. Além disso, nenhuma supernova foi detectada após a explosão, apesar da extensa busca.
O que poderia produzir uma explosão de menos de um segundo de duração, originada de uma região sem formação estelar? O modelo principal envolve a fusão de dois cadáveres estelares compactos: duas estrelas de nêutrons ou talvez uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Como muitas estrelas vêm em sistemas binários ou múltiplos, é possível ter sistemas em que dois desses cadáveres estelares orbitam um ao outro. De acordo com a relatividade geral (que será discutida em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo), as órbitas de um sistema estelar binário composto por esses objetos devem decair lentamente com o tempo, eventualmente (após milhões ou bilhões de anos) fazendo com que os dois objetos se choquem juntos em uma explosão violenta, mas breve. Como a decadência da órbita binária é muito lenta, esperaríamos que mais dessas fusões ocorressem em galáxias antigas nas quais a formação de estrelas parou há muito tempo.
Para saber mais sobre a fusão de duas estrelas de nêutrons e como elas podem produzir uma explosão que dura menos de um segundo, confira esta simulação computacional da NASA.
Embora fosse impossível ter certeza desse modelo baseado em apenas um único evento (é possível que essa explosão tenha realmente vindo de uma galáxia de fundo e alinhada com o elíptico gigante apenas por acaso), várias dezenas de outras explosões de raios gama de curta duração já foram localizadas por Swift, muitas das quais também se originam de galáxias com taxas muito baixas de formação estelar. Isso deu aos astrônomos maior confiança de que esse modelo é o correto. Ainda assim, para serem totalmente convencidos, os astrônomos estão procurando uma assinatura de “arma fumegante” para a fusão de dois remanescentes estelares ultradensos.
Podemos pensar em dois exemplos que forneceriam evidências mais diretas. Uma delas é um tipo muito especial de explosão, produzida quando os nêutrons retirados das estrelas de nêutrons durante a violenta fase final da fusão se fundem em elementos pesados e depois liberam calor devido à radioatividade, produzindo uma supernova vermelha de curta duração, às vezes chamada de quilonova. (O termo é usado porque é cerca de mil vezes mais brilhante do que uma nova comum, mas não tão “super” quanto uma supernova tradicional.) As observações do Hubble de uma explosão de raios gama de curta duração em 2013 mostram evidências sugestivas de tal assinatura, mas precisam ser confirmadas por observações futuras.
Foi ainda mais emocionante ver a segunda “arma fumegante”: a detecção de ondas gravitacionais. Como será discutido em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo, ondas gravitacionais são ondulações no tecido do espaço-tempo que a relatividade geral prevê que devem ser produzidas pela aceleração de objetos extremamente massivos e densos - como duas estrelas de nêutrons ou buracos negros espiralando uma em direção à outra e colidindo. O primeiro exemplo de ondas gravitacionais foi observado recentemente a partir da fusão de dois grandes buracos negros. Se um dia se observar que uma onda gravitacional é coincidente no tempo e no espaço com uma explosão de raios gama, isso não apenas confirmará nossas teorias sobre a origem das explosões curtas de raios gama, mas também estará entre as demonstrações mais espetaculares da teoria da relatividade geral de Einstein.
Sondando o universo com explosões de raios gama
A história de como os astrônomos explicaram a origem dos diferentes tipos de explosões é um bom exemplo de como o processo científico às vezes se assemelha a um bom trabalho de detetive. Embora o mistério das explosões de raios gama de curta duração ainda esteja sendo desvendado, o foco dos estudos para explosões de raios gama de longa duração começou a mudar da compreensão da origem das explosões em si (que agora está bastante bem estabelecida) para usá-las como ferramentas para entender o universo mais amplo.
A razão pela qual explosões de raios gama de longa duração são úteis tem a ver com suas luminosidades extremas, mesmo que por pouco tempo. Na verdade, explosões de raios gama de longa duração são tão brilhantes que podem ser facilmente vistas a distâncias que correspondem a algumas centenas de milhões de anos após o início da expansão do universo, quando os teóricos pensam que a primeira geração de estrelas se formou. Algumas teorias preveem que as primeiras estrelas provavelmente serão massivas e completarão sua evolução em apenas um milhão de anos ou mais. Se for esse o caso, então explosões de raios gama (que sinalizam a morte de algumas dessas estrelas) podem nos fornecer a melhor maneira de sondar o universo quando estrelas e galáxias começaram a se formar.
Até agora, a explosão de raios gama mais distante encontrada (em 29 de abril de 2009) originou-se a notáveis 13,2 bilhões de anos-luz de distância, o que significa que aconteceu apenas 600 milhões de anos após o próprio Big Bang. Isso é comparável às galáxias mais antigas e distantes encontradas pelo Telescópio Espacial Hubble. Não é velho o suficiente para esperar que tenha se formado a partir da primeira geração de estrelas, mas sua aparência a essa distância ainda nos dá informações úteis sobre a produção de estrelas no universo primitivo. Os astrônomos continuam examinando os céus, procurando eventos ainda mais distantes que sinalizem a morte de estrelas ainda mais distantes no tempo.
Conceitos principais e resumo
As explosões de raios gama duram de uma fração de segundo a alguns minutos. Eles vêm de todas as direções e agora são conhecidos por estarem associados a objetos muito distantes. A energia provavelmente é transmitida e, para as que podemos detectar, a Terra está na direção do feixe. Explosões de longa duração (durando mais do que alguns segundos) vêm de estrelas massivas com suas camadas externas de hidrogênio ausentes que explodem como supernovas. Acredita-se que explosões de curta duração sejam fusões de cadáveres estelares (estrelas de nêutrons ou buracos negros).