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    NASAs Fermi, missões rápidas permitem uma nova era na ciência de raios gama

    Em 14 de janeiro, 2019, o observatório Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) nas Ilhas Canárias capturou a luz de mais alta energia registrada a partir de uma explosão de raios gama. O MAGIC começou a observar a explosão de desvanecimento apenas 50 segundos depois de ser detectada, graças às posições fornecidas pelas espaçonaves Fermi e Swift da NASA (superior esquerdo e direito, respectivamente, nesta ilustração). Os raios gama acumularam energia até 10 vezes maior do que a vista anteriormente. Crédito:NASA / Fermi e Aurore Simonnet, Sonoma State University

    Um par de explosões distantes descobertas pelo Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA e pelo Observatório Neil Gehrels Swift produziram a luz de mais alta energia já vista a partir desses eventos, chamados de bursts de raios gama (GRBs). As detecções de definição de recorde, feito por dois observatórios terrestres diferentes, fornecem novos insights sobre os mecanismos que impulsionam as explosões de raios gama.

    Os astrônomos reconheceram o fenômeno GRB pela primeira vez há 46 anos. As explosões aparecem em locais aleatórios no céu cerca de uma vez por dia, na média.

    O tipo mais comum de GRB ocorre quando uma estrela muito mais massiva que o Sol fica sem combustível. Seu núcleo entra em colapso e forma um buraco negro, que então lança jatos de partículas para fora quase à velocidade da luz. Esses jatos perfuram a estrela e continuam no espaço. Eles produzem um pulso inicial de raios gama - a forma mais energética de luz - que normalmente dura cerca de um minuto.

    À medida que os jatos voam para fora, eles interagem com o gás circundante e emitem luz em todo o espectro, do rádio aos raios gama. Esses chamados efeitos luminosos podem ser detectados em até meses - e raramente, até mesmo anos - após a explosão em comprimentos de onda mais longos.

    "Muito do que aprendemos sobre GRBs nas últimas décadas veio da observação de seus resplendores em energias mais baixas, "disse Elizabeth Hays, o cientista do projeto Fermi no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Agora, graças a essas novas detecções baseadas em solo, estamos vendo os raios gama das explosões de raios gama de uma maneira totalmente nova. "

    Dois artigos publicados na revista Natureza descrever cada uma das descobertas. Um terceiro artigo analisa uma das explosões usando um rico conjunto de dados de vários comprimentos de onda de observatórios no espaço e no solo. Um quarto artigo, aceito pelo Astrophysical Journal , explora os dados Fermi e Swift em maiores detalhes.

    O pós-brilho esmaecido de GRB 190114C e sua galáxia natal foram fotografadas pelo Telescópio Espacial Hubble em 11 de fevereiro e 12 de março, 2019. A diferença entre essas imagens revela um desmaio, brilho de curta duração (centro do círculo verde) localizado a cerca de 800 anos-luz do centro da galáxia. As cores azuis além do núcleo sinalizam a presença de calor, jovens estrelas, indicando que esta é uma galáxia espiral um tanto semelhante à nossa. Ele está localizado a cerca de 4,5 bilhões de anos-luz de distância, na constelação de Fornax. Crédito:NASA, ESA, e V. Acciari et al. 2019

    Em 14 de janeiro, 2019, um pouco antes das 16h00 HUSA, os satélites Fermi e Swift detectaram um pico de raios gama da constelação de Fornax. As missões alertaram a comunidade astronômica sobre a localização da explosão, apelidado de GRB 190114C.

    Uma instalação que recebeu os alertas foi o Observatório Cherenkov (MAGIC) de imagens gamma atmosféricas principais, localizado em La Palma, nas Ilhas Canárias, Espanha. Ambos os seus telescópios de 17 metros se voltaram automaticamente para o local da explosão. Eles começaram a observar o GRB apenas 50 segundos após sua descoberta e capturaram os raios gama mais energéticos já vistos nesses eventos.

    A energia da luz visível varia de cerca de 2 a 3 elétron-volts. Em 2013, O Telescópio de Grande Área de Fermi (LAT) detectou luz atingindo uma energia de 95 bilhões de elétron-volts (GeV), então o mais alto visto de uma explosão. Isso cai um pouco tímido de 100 GeV, o limite para os chamados raios gama de energia muito alta (VHE). Com GRB 190114C, MAGIC se tornou a primeira instalação a relatar emissão inequívoca de VHE, com energias de até um trilhão de elétron-volts (1 TeV). Isso é 10 vezes o pico de energia que Fermi já viu até agora.

    "Vinte anos atrás, projetamos o MAGIC especificamente para pesquisar a emissão de VHE de GRBs, então este é um tremendo sucesso para nossa equipe, "disse o co-autor Razmik Mirzoyan, cientista do Instituto Max Planck de Física em Munique e porta-voz da colaboração MAGIC. "A descoberta dos raios gama TeV do GRB 190114C mostra que essas explosões são ainda mais poderosas do que se pensava antes. Mais importante, nossa detecção facilitou uma extensa campanha de acompanhamento envolvendo mais de duas dezenas de observatórios, oferecendo pistas importantes para os processos físicos em funcionamento em GRBs. "

    Isso incluiu a missão NuSTAR da NASA, o satélite de raios X XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, o telescópio espacial Hubble da NASA / ESA, além de Fermi e Swift, junto com muitos observatórios terrestres. Imagens do Hubble adquiridas em fevereiro e março capturaram o brilho óptico da explosão. Eles mostram que a explosão se originou em uma galáxia espiral a cerca de 4,5 bilhões de anos-luz de distância. Isso significa que a luz deste GRB começou a viajar até nós quando o universo tinha dois terços de sua idade atual.

    O terceiro artigo apresenta observações de uma explosão diferente, que Fermi e Swift descobriram em 20 de julho, 2018. Dez horas após seus alertas, o Sistema Estereoscópico de Alta Energia (H.E.S.S.) apontou seu grande, Telescópio de raios gama de 28 metros para o local da explosão, chamado GRB 180720B. Uma análise cuidadosa realizada durante as semanas seguintes ao evento revelou que H.E.S.S. raios gama VHE claramente detectados com energias de até 440 GeV. Ainda mais notável, o brilho continuou por duas horas após o início da observação. Capturar essa emissão muito tempo após a detecção do GRB é uma surpresa e uma importante nova descoberta.

    Instalações terrestres detectaram radiação de até um trilhão de vezes a energia da luz visível de uma explosão cósmica chamada explosão de raios gama (GRB). Esta ilustração mostra a configuração para o tipo mais comum. O núcleo de uma estrela massiva (esquerda) entrou em colapso e formou um buraco negro. Esse "motor" impulsiona um jato de partículas que se move através da estrela em colapso e sai para o espaço quase à velocidade da luz. A emissão imediata, que normalmente dura um minuto ou menos, pode surgir da interação do jato com o gás próximo ao buraco negro recém-nascido e de colisões entre camadas de gás em movimento rápido dentro do jato (ondas de choque internas). A emissão de pós-luminescência ocorre quando a ponta do jato varre seus arredores (criando uma onda de choque externa) e emite radiação em todo o espectro por algum tempo - meses a anos, no caso de rádio e luz visível, e muitas horas nas energias de raios gama mais altas já observadas. Estes ultrapassam em muito 100 bilhões de elétron-volts (GeV) para dois GRBs recentes. Crédito:Goddard Space Flight Center da NASA

    Os cientistas suspeitam que a maioria dos raios gama dos pós-luminescências GRB se originam em campos magnéticos na borda de ataque do jato. Os elétrons de alta energia que espiralam nos campos emitem raios gama diretamente por meio de um mecanismo chamado emissão síncrotron.

    Mas tanto o H.E.S.S. e as equipes do MAGIC interpretam a emissão VHE como um componente distinto de pós-luminescência, o que significa que algum processo adicional deve estar em funcionamento. O melhor candidato, eles dizem, é o espalhamento Compton inverso. Os elétrons de alta energia no jato colidem com os raios gama de baixa energia e os impulsionam para energias muito mais altas.

    No artigo que detalha as observações de Fermi e Swift, os pesquisadores concluíram que um mecanismo físico adicional pode de fato ser necessário para produzir a emissão de VHE. Dentro das energias mais baixas observadas por essas missões, Contudo, a inundação de raios gama síncrotron torna a descoberta de um segundo processo muito mais difícil.

    "Com Fermi e Swift, não vemos evidência direta de um segundo componente de emissão, "disse S. Bradley Cenko de Goddard, o investigador principal de Swift e um co-autor dos artigos Fermi-Swift e multiwavelength. "Contudo, se a emissão VHE surge apenas do processo síncrotron, então, as suposições fundamentais usadas na estimativa da energia de pico produzida por este mecanismo precisarão ser revisadas. "

    Futuras observações de rajadas serão necessárias para esclarecer a imagem física. Os novos dados VHE abrem um novo caminho para a compreensão de GRBs, um que será estendido ainda mais pelo MAGIC, H.E.S.S. e uma nova geração de telescópios de raios gama baseados em terra agora sendo planejados.


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