Explosões de raios gama (GRBs) são explosões cósmicas breves e extremamente poderosas, aparecendo de repente no céu, cerca de uma vez por dia. Acredita-se que sejam o resultado do colapso de estrelas massivas ou da fusão de estrelas de nêutrons em galáxias distantes. Eles começam com uma inicial, flash muito brilhante, chamada de emissão imediata, com uma duração variando de uma fração de segundo a centenas de segundos. A emissão imediata é acompanhada pelo chamado pós-luminescência, uma emissão menos brilhante, mas de longa duração, em uma ampla faixa de comprimentos de onda que desaparece com o tempo. O primeiro GRB detectado pelos telescópios MAGIC, conhecido como GRB 190114C, revela pela primeira vez os fótons de maior energia medidos a partir desses objetos.

Esta conquista inovadora do MAGIC fornece uma nova visão crítica para a compreensão dos processos físicos em funcionamento em GRBs, que ainda são misteriosos. Os fótons detectados pelo MAGIC devem se originar de um processo até então não visto nos resplendores de GRBs, claramente distinto do processo físico que é conhecido por ser responsável por sua emissão em energias mais baixas. (Consulte as notas laterais para obter mais informações sobre GRBs, resplendor, emissão síncrotron, e os telescópios MAGIC)

Detecção MAGIC e observações de múltiplos comprimentos de onda de GRB 190114C

Em 14 de janeiro, 2019, um GRB foi descoberto independentemente por dois satélites espaciais:o Neil Gehrels Swift Observatory e o Fermi Gamma-ray Space Telescope. O evento foi denominado GRB 190114C, e em 22 segundos, suas coordenadas no céu foram distribuídas como um alerta eletrônico para astrônomos em todo o mundo, incluindo a Colaboração MAGIC, que opera dois telescópios Cherenkov de 17m de diâmetro localizados em La Palma, Espanha. Como os GRBs aparecem em locais imprevisíveis no céu e depois desaparecem rapidamente, sua observação por telescópios como o MAGIC requer uma estratégia de acompanhamento dedicada.

Um sistema automático processa em tempo real os alertas GRB dos instrumentos de satélite e faz com que os telescópios MAGIC apontem rapidamente para a posição do GRB no céu. Os telescópios foram projetados para serem muito leves e capazes de reposicionamento rápido:apesar do peso de 64 toneladas cada, eles podem alcançar e começar a observar qualquer posição no céu em apenas cerca de 25 segundos. O MAGIC foi capaz de iniciar a observação do GRB 190114C apenas 50 segundos após o início do GRB.

A análise dos dados resultantes para as primeiras dezenas de segundos revela a emissão de fótons na pós-luminescência atingindo energias teraeletronvolt (TeV), isso é, um trilhão de vezes mais energético do que a luz visível. Durante este tempo, a emissão de fótons TeV de GRB 190114C foi 100 vezes mais intensa do que a fonte estável mais brilhante conhecida em energias TeV, a Nebulosa do Caranguejo. Desta maneira, GRB 190114C tornou-se o recordista como a fonte mais brilhante conhecida de fótons TeV. Como esperado para resplendores GRB, a emissão desapareceu rapidamente com o tempo, semelhante à emissão de pós-luminescência que era conhecida em energias mais baixas. Os últimos vislumbres foram vistos pelo MAGIC meia hora depois.

Pela primeira vez, a detecção inequívoca de fótons TeV de um GRB foi anunciada pela Colaboração MAGIC para a comunidade internacional de astrônomos apenas algumas horas após os alertas do satélite, após uma verificação cuidadosa dos dados preliminares. Isso facilitou uma extensa campanha de observações de acompanhamento de múltiplos comprimentos de onda (MWL) de GRB 190114C por mais de duas dezenas de observatórios e instrumentos, fornecendo uma imagem observacional completa deste GRB da banda de rádio para energias TeV. Em particular, observações ópticas permitiram uma medição da distância até GRB 190114C. Foi descoberto que este GRB está localizado em uma galáxia da qual levou 4,5 bilhões de anos para a luz chegar à Terra.

Fótons de energia mais alta de um processo de emissão recém-revelado

Embora a emissão de TeV em pós-luminescências GRB tenha sido prevista em alguns estudos teóricos, permaneceu evasivo quanto à observação por muito tempo, apesar das inúmeras pesquisas no TeV energies nas últimas décadas com vários instrumentos, incluindo MAGIC. Qual mecanismo físico está por trás da produção dos fótons TeV finalmente detectados pelo MAGIC? Antonio Stamerra, o porta-voz adjunto da colaboração MAGIC, aponta:"Essas energias são muito maiores do que o que pode ser esperado da radiação síncrotron, causada por elétrons de alta energia em espiral em campos magnéticos. Este processo é entendido como responsável pela emissão que havia sido observada anteriormente em energias mais baixas em pós-luminescências GRB. Esses novos resultados, junto com os dados MWL muito abrangentes, fornecer a primeira evidência inequívoca para um adicional, processo de emissão distinto no pós-luminescência. "Lara Nava, cientista associado à colaboração MAGIC, acrescenta:"Do nosso estudo, a origem mais provável da emissão de TeV é o chamado processo Compton inverso, onde uma população de fótons é significativamente aumentada em energia pela colisão com elétrons de alta energia. "

"Depois de mais de 50 anos desde que os GRBs foram descobertos pela primeira vez, muitos de seus aspectos fundamentais ainda permanecem misteriosos, "diz Razmik Mirzoyan, o porta-voz da Colaboração MAGIC. "A descoberta da emissão de raios gama do GRB 190114C no novo, A janela TeV do espectro eletromagnético mostra que as explosões GRB são ainda mais poderosas do que se pensava antes. A riqueza de novos dados sobre GRB 190114C adquiridos pelo MAGIC e as extensas observações de acompanhamento do MWL agora oferecem pistas importantes para desvendar alguns dos mistérios relativos aos processos físicos em funcionamento em GRBs. "

Um estudo comparativo de todos os acompanhamentos anteriores de GRB por MAGIC sugere que GRB 190114C não foi um evento particularmente único, exceto por sua proximidade relativa (a luz levou 4,5 bilhões de anos para chegar à Terra), e que a detecção bem-sucedida deve-se ao excelente desempenho do instrumento. "O MAGIC abriu uma nova janela para estudar GRBs, "diz Susumu Inoue, o coordenador do grupo de trabalho MAGIC Transients mais envolvido no projeto. "Nossos resultados indicam que podemos detectar muito mais GRBs nas energias do TeV. Isso abrirá o caminho para uma compreensão muito mais profunda dessas fascinantes explosões cósmicas."

O estudo é publicado em Natureza .