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quinta-feira, 20 de abril de 2017

Uma intrigante explosão cósmica se repete, aprofundando um mistério



Depois de uma descoberta surpresa, astrofísicos estão correndo para compreender flashes superenergéticos de ondas de rádio que, por vezes, ressoam de galáxias distantes.

Representação artística de uma estrela de nêutrons altamente magnetizada, ou magnetar.

"Um ponto menor de interesse sobre a Explosão de Spitler”. Esse foi o assunto do de e-mail que apareceu na tela do computador de Shami Chatterjee  as 3 horas da tarde em 5 de novembro de 2015.

Quando Chatterjee leu o conteúdo email, ele primeiro engasgou em estado de choque - e, em seguida, correu para fora do escritório da Universidade de Cornell e pelo corredor para contar a um colega. Vinte e oito minutos depois, quando ele começou a preparar a resposta, sua caixa de entrada já estava zumbindo. A caixa de entrada do e-mail cresceu e cresceu, com 56 mensagens de colegas.

Por quase uma década, Chatterjee e outros astrofísicos estavam tentando entender a natureza dos curtos flashes superenergéticos de ondas de rádio no espaço. Estas “rajadas rápidas de rádio,” ou FRBs, surgem em alguns milissegundos, mas elas são os sinais de rádio mais luminosos do universo, alimentadas com uma energia tão grande quanto 500 milhões de sóis. A primeira foi descoberta em 2007 pelo astrônomo Duncan Lorimer, que junto com um de seus alunos, deparou com o sinal acidentalmente através de dados de um telescópio; na época, poucos acreditavam nele. Céticos suspeitavam de interferência de telefones celulares ou fornos de microondas. Mas cada vez mais a hipótese das FRBs se manteve - 26 foram contados até agora, incluindo a Explosão Spitler, detectada pela astrônoma Laura Spitler em 2012 - e os cientistas tiveram que concordar que elas eram reais.

A questão era, o que lhes causa? Os investigadores desenharam dezenas de modelos, empregando uma gama de mistérios astrofísicos - desde estrelas incendindo-se em nossa própria galáxiaexplosão de estrelasfusões de buracos negros carregadosburacos brancos, buracos negros evaporando-se, cordas cósmicas primordiais oscilantes, e até mesmo extraterrestres que navegam através do cosmos usando velas luz extragaláctica. Para os cientistas, as FRBs eram tão ofuscantes como granadas de luz em uma floresta escura; seu poder, brevidade e imprevisibilidade simplesmente tornavam impossível ver a fonte da luz.

O e-mail alertando Chatterjee e colegas para um “ponto de menor de interesse” mudou tudo isso. Seu remetente era Paul Scholz, um estudante graduado na Universidade McGill, em Montreal e um colaborador de Chatterjee. Ele estava realizando uma diligência prévia, peneirando os dados do telescópio com a ajuda de um supercomputador que tinham sido recolhidos a partir da parte do céu onde o Spitler explodiu originalmente, para ver se a fonte podia enviar um segundo sinal. De acordo com Chatterjee, após dois anos fazendo isso e não obtendo nenhum sucesso, as expectativas tinham diminuído.


E de repente, Scholz viu o sinal se repetir. A descoberta foi “surpreendente e terrível”, disse Chatterjee - surpreendente, porque “todo mundo sabia que as FRBs não se repetem”, e terrível devido à energia gigantesca necessária para produzir pelo menos uma destas explosões. Talvez a única coisa mais feroz do que emitir a energia de 500 milhões de sóis é criá-la novamente.

A descoberta instantaneamente matou um grande número de modelos propostos anteriormente - pelo menos, como explicações para esta FRB particular. Qualquer modelo que presume um cataclismo de uma só vez, como flashes de mortes estelares ou fusões de estrelas ou buracos negros, foram descartados. Ainda assim, muitos modelos permaneceram, alguns apontando para fontes dentro da galáxia, e outros em galáxias distantes.

À medida que a repetição do sinal reduzia as opções, Scholz tentou adivinhar a fonte: “Magnetar Extragaláctico", ele escreveu em seu e-mail inicial, referindo-se a uma estrela de nêutrons jovem com um campo magnético extremamente poderoso. A primeira pessoa a responder, Maura McLaughlin  uma astrofísico da Universidade de West Virginia em Morgantown, escreveu: “WOW!!!!!!! Magnetar Extragaláctico soa bem para mim.” E isto rapidamente se tornou a teoria mais popular, mas não a única.

Para revelar a verdadeira natureza da explosão, os cientistas tiveram que descobrir a localização da fonte. Mas isso não foi fácil. Para detectar uma FRB, em primeiro lugar, um telescópio deve ser apontado diretamente para a área do céu onde se origina a explosão. Isto pode explicar porque apenas 26 foram vistas durante a última década - com o tempo de telescópio em alta demanda, não há instrumentos suficientes disponíveis para assistir cada pedaço do céu. Mas mesmo quando uma FRB é detectada, os cientistas não podem identificar a sua origem dentro de campo de um telescópio de vista. Para localizar uma explosão, eles precisam de detectá-la com vários telescópios e comparar os sinais para determinar sua posição exata.

Agora, porém, havia uma chance, desde que o repetidor piscasse uma terceira vez.

Brilhando no escuro

Poucas horas depois do email do Scholz ser visto por uma equipe de cerca de 40 cientistas - colaboradores de um projeto chamado L-band do Matriz Pulsar Arecibo - membros da equipe conseguiram garantir tempo no Very Large Array (VLA), o grupo de 27 rádio telescópios no Novo México que ficou famoso no filme Contato. O VLA é suficientemente grande para fazer as medições combinadas necessárias para localizar uma explosão. Na primeira, a equipe pediu 10 horas no VLA, durante o qual eles planejaram para fazer a varredura da região relevante do cosmos a cada poucos milissegundos, esperando capturar o flash de FRB. “É como fazer um filme do céu em 200 frames por segundo”, disse Chatterjee, que é um dos líderes da colaboração. “Nós fizemos este filme mais de 10 horas e não vimos absolutamente nada.”

Eles estenderam o tempo para mais 40 horas no VLA, e fizeram ainda um outro filme do céu no espectro de rádio a 200 quadros por segundo. Mais uma vez, eles não viram nada. Preocupados, os pesquisadores tiveram que implorar por mais tempo. Eles conseguiram persuadir a gestão do VLA para dar-lhes mais 40 horas no telescópio. Desta vez, durante um primeiro teste, eles avistaram um Flash.

O Very Large Array, um grupo de 27 antenas de rádio no Novo México que está em operação desde 1980, permite que dados de cada antena de 25 metros de largura sejam combinados eletronicamente para localizar sinais. National Radio Astronomy Observatory

“Parece que a explosão de rádio rápido saiu para jogar hoje”, escreveu Casey Law, pesquisador que monitorou o VLA em tempo real, em um e-mail para o resto da equipe.

O sinal iria fazer mais oito reaparições. Estranhamente, as explosões pareciam ser totalmente aleatórias. Após 50 horas a equipe conseguiu sinais com uma certa freqüência, inclusive, certa vez, uma “dupla explosão” de sinais de apenas 23 segundos de diferença.

Os sinais repetidos permitiram à equipe localizar a fonte. Para quase surpresa de todos, como relatado em janeiro na revista Nature, as rajadas se originaram em uma pequena galáxia “anã irregular”, a um gigaparsec (pouco mais de 3 bilhões de anos-luz) de distância. Isso fez com que a força do sinal e suas repetições frequentes ficassem ainda mais surpreendentes. “Se você está detectando um flash brilhante a um gigaparsec, há uma enorme quantidade de energia associada a ele”, disse Chatterjee. “Quanto mais energia você associa com cada evento, mais difícil fica para explicar a repetição. Basicamente, o que está recarregando a bateria desse flash tão rapidamente?”

Imaginando magnetares

Em fevereiro, especialistas reunidos em uma conferência em Aspen, Colorado, discutiram a FRB pela primeira vez desde a que a localização do sinal foi identificada. A maioria dos astrofísicos concordam que tanto a distância da fonte quanto o ambiente são consistentes com a teoria do que é um magnetar. É uma das poucas fontes de candidatos capazes de produzir um sinal tão forte de tão longe. E, de acordo com Laura Spitler, que deu nome à explosão Spitler, pesquisadora do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha, magnetares geralmente se formam a partir de explosões estelares superluminosas chamadas supernovas tipo I. Estes eventos ocorrem de forma desproporcional muitas vezes em galáxias irregulares anãs, que podem ser semelhante a algumas das primeiras galáxias que povoaram o universo.

Cada geração sucessiva de estrelas que viveram e morreram desde o Big Bang fundiram prótons e nêutrons em elementos mais pesados ​​e mais pesados, aumentando o que os astrônomos chamam de “metalicidade” do universo. Mas galáxias irregulares anãs são susceptíveis de terem se formado a partir de hidrogênio leve e hélio, permanecendo a partir de quando o universo era jovem. Sua baixa metalicidade permite que essas pequenas galáxias produzam estrelas mais maciças, e, provavelmente, como as estrelas massivas têm campos magnéticos fortes, suas mortes explosivas podem criar as estrelas de nêutrons altamente magnetizadas, ou magnetares.

Há suspeitas que o magnetar proveniente da rajada de rádio rápida seja especial. “Uma estrela de nêutrons explodindo a esta taxa durante milhares de anos iria rapidamente ficar sem combustível”, disse Brian Metzger. Seu melhor palpite é que o repetidor é um magnetar muito jovem - provavelmente com menos de 100 anos de idade.

Se a teoria de do magnetar de Young estiver correta, então - de acordo com uma versão possível da história - nós temos que encarar uma estrela de nêutrons recém-nascida, superdensa envolta em um campo magnético poderoso e altamente instável. Este magnetar também continua encravado em uma nuvem de expansão de detritos de uma explosão de supernova. A medida  as mudanças do campo magnético do Magnetar recém-nascido se configuram e reconectam, ele bombeia a energia no gás e na nuvem circundante. Este, por sua vez absorve a energia e, em seguida, ocasionalmente experimenta choques, liberando súbitas explosões e grandes quantidades de energia para o cosmos.

Esta história ainda é apenas hipotética, mas astrofísicos apontam para uma evidência de apoio: As FRBs são provenientes da mesma vizinhança como uma constante fonte de emissão de rádio - possivelmente o sinal de fundo a partir da nuvem de detritos em expansão que envolvem o jovem magnetar. Bryan Gaensler, um astrofísico da Universidade de Toronto, disse que, a medida que os entulhos se expandem, as propriedades deste sinal de fundo devem mudar. “Se vermos isso acontecer, é um suporte para o modelo do magnetar jovem”, disse ele, “mais ele nos dá informações sobre o processo do ambiente e sobre o nascimento do magnetar.”

No entanto, Gaensler advertiu que existem alguns problemas com o modelo do magnetar. Para começar, por que não nunca vimos nenhuma FRB de magnetares próximos da Terra? Por exemplo, o magnetar SGR 1806-1820 na Via Láctea exalou uma explosão de raios gama gigantesca em dezembro de 2004. “Se tivesse produzido uma FRB tão poderosa como o repetidor”, disse Gaensler, “teria sido tão brilhante que nós teríamos visto mesmo através de telescópios de rádio que estivessem apontando em direções completamente diferentes naquele momento.”

Por outro lado, ele disse, talvez magnetares produzem FRBs em feixes estreitos ou jatos. “Nós só conseguimos ver a FRB quando o feixe está apontando diretamente para nós. Talvez SGR 1806-20 produziu uma FRB o tempo todo, mas apontou para uma direção diferente. Nós realmente não sabemos.”

De qualquer maneira, se os pesquisadores não conseguem detectar um escurecimento da fonte de rádio constante associada com a Explosão Spitler, em seguida, toda a teoria de magnetar pode estar pronta para a sucata astrofísica.

Outra ideia é que as FRBs são emitidas por núcleos ativos de galáxias, ou AGNs - regiões superluminosas nos centros de algumas galáxias. AGNs podem ser alimentadas por buracos negros supermassivos, e muitos deles têm jatos que poderiam emitir um feixe de FRB para o espaço. No entanto, esta teoria é menos popular, disse Metzger, porque AGNs normalmente existem em galáxias maiores, não anãs.

Existem outras possibilidades. “Novas teorias continuam surgindo”, disse Emily Petroff , astrofísica do Instituto Holandês de Radioastronomia. “Cada vez que um novo artigo de observação de uma FRB sai, existem alguns novos artigos de teorias para descrevê-lo, e isso é divertido pois não é comum vermos teorias sendo formadas após eventos astrofísicos e sim o contrário.

Uma questão chave é se o repetidor representa todas as FRBs - em outras palavras, se todas as FRBs se repetem. É possível que todas elas o fazem, mas a maior parte do tempo, apenas as primeiras explosões mais brilhantes são vistas. “Os dados atuais não podem levar a uma conclusão firme”, disse Chatterjee.

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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