Além de buracos negros, magnetares podem ser as estrelas mais extremas do universo. Com um diâmetro menor que o comprimento de Manhattan, eles embalam mais massa do que o nosso sol, exercem o maior campo magnético de qualquer objeto conhecido - mais de 10 trilhões de vezes mais forte do que um ímã de geladeira - e giram em seus eixos a cada poucos segundos.

Um tipo de estrela de nêutrons - remanescente de uma explosão de supernova - os magnetares são tão altamente magnetizados que mesmo distúrbios modestos no campo magnético podem causar rajadas de raios X que duram esporadicamente por semanas ou meses.

Estes exóticos, Também se acredita que estrelas compactas sejam a fonte de alguns tipos de explosões curtas de raios gama (GRBs):flashes brilhantes de radiação altamente energética que intrigam os astrônomos desde que foram detectados pela primeira vez na década de 1970. Várias dessas chamas magnetares gigantes foram detectadas na Via Láctea. Mas porque eles são tão intensos que saturam os detectores, e as observações dentro da galáxia são obscurecidas pela poeira, o cientista espacial Kevin Hurley da Universidade da Califórnia, Berkeley, e uma equipe internacional de astrônomos tem procurado essas mesmas erupções em galáxias fora da nossa para uma visão mais clara.

Esse esforço de 45 anos está valendo a pena. Uma curta explosão de raios gama detectada em 15 de abril de uma galáxia a 11,4 milhões de anos-luz de distância mostra uma assinatura clara que Hurley acredita que poderia ajudar os astrônomos a encontrar explosões de magnetar mais facilmente e, finalmente, reunir os dados necessários para verificar as muitas teorias que explicam os magnetares e seus raios gama flares.

"Temos o que acreditamos ser quatro detecções sólidas desde 1979 de chamas magnetares extragalácticas gigantes, duas delas explosões quase idênticas de galáxias diferentes, "disse Hurley, um pesquisador espacial sênior do Laboratório de Ciências Espaciais da UC Berkeley. “Isso nos leva a acreditar que pode haver um tipo de modelo emergente que nos ajudará a identificá-los mais rapidamente no futuro. Minha esperança é que o ritmo agora acelere porque sabemos muito melhor o que estamos procurando. "

Hurley e três colegas irão relatar a descoberta de GRB por vários satélites americanos e europeus e suas implicações em uma coletiva de imprensa na quarta-feira, 13 de janeiro na reunião anual da American Astronomical Society e em três artigos publicados simultaneamente nas revistas Natureza e Astronomia da Natureza .

Explosões magnetares gigantes

GRBs, as explosões mais poderosas do cosmos, pode ser detectado em bilhões de anos-luz. A maioria daqueles que duram menos de cerca de dois segundos, chamados GRBs curtos, ocorrem quando um par de estrelas de nêutrons em órbita espiralam uma na outra e se fundem. Os astrônomos confirmaram este cenário para pelo menos alguns GRBs curtos em 2017, quando uma explosão seguiu a chegada de ondas gravitacionais - ondulações no espaço-tempo - produzidas quando as estrelas de nêutrons se fundiram a 130 milhões de anos-luz de distância.

Mas nem todos os GRBs curtos se encaixam no perfil de fusão de estrelas de nêutrons, Hurley disse. Especificamente, dos 29 magnetares dentro de nossa Galáxia Via Láctea conhecidos por exibir atividade ocasional de raios-X, dois produziram chamas gigantes que são diferentes das explosões dessas fusões.

A mais recente dessas detecções foi em 27 de dezembro, 2004, um evento que produziu mudanças mensuráveis ​​na alta atmosfera da Terra, apesar da erupção de um magnetar localizado a cerca de 28, 000 anos-luz de distância.

Desde o final dos anos 1970, Hurley operou a Rede InterPlanetária (IPN), um esforço 24 horas por dia, 7 dias por semana para explorar dados de muitas espaçonaves - atualmente cinco, capturando cerca de 325 explosões gama por ano - na esperança de encontrar mais chamas magnetares gigantes. Essa rede foi fundamental para capturar o dia 15 de abril, 2020, flare.

Pouco antes das 4:42 horas EDT daquela quarta-feira, Uma carta, poderosa explosão de raios-X e raios gama varreu Marte, acionar o detector de nêutrons de alta energia russo a bordo da espaçonave Mars Odyssey da NASA, que está orbitando o planeta desde 2001. Cerca de 6,6 minutos depois, a explosão acionou o instrumento russo Konus a bordo do satélite Wind da NASA, que orbita um ponto entre a Terra e o sol localizado a cerca de 930, 000 milhas (1,5 milhões de quilômetros) de distância. Depois de mais 4,5 segundos, a radiação passou pela Terra, instrumentos de disparo no Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA e no satélite INTEGRAL da Agência Espacial Europeia.

A análise dos dados do Burst Alert Telescope (BAT) do Neil Gehrels Swift Observatory da NASA forneceu informações adicionais sobre o evento.

Esses dados mostraram que o pulso de radiação durou apenas 140 milissegundos, um piscar de olhos.

Hurley e Dmitry Svinkin do Instituto Ioffe da Rússia, um membro da equipe IPN, usou os tempos de chegada medidos pelo Fermi, Rápido, Vento, Mars Odyssey e missões INTEGRAL para identificar a localização do estouro de 15 de abril, chamado GRB 200415A, diretamente na região central de NGC 253, uma galáxia espiral brilhante localizada a cerca de 11,4 milhões de anos-luz de distância na constelação de Escultor. Esta é a posição do céu mais precisa já determinada para um magnetar localizado além da Grande Nuvem de Magalhães, um satélite de nossa galáxia e hospedeiro em 1979 para a primeira explosão gigante já detectada.

"Este foi o magnetar localizado com mais precisão fora de nossa galáxia até agora, e nós realmente definimos isso agora, não apenas para uma galáxia, mas uma parte de uma galáxia onde esperamos que a formação de estrelas esteja acontecendo, e estrelas estão explodindo. É onde deveriam estar as supernovas e os magnetares, também, "Hurley disse." O evento de 15 de abril é uma virada de jogo. "

Flashes de um farol

As chamas gigantes vistas dentro da Via Láctea parecem um pouco diferentes daquelas das galáxias próximas por causa da distância. Astrônomos documentaram que chamas gigantes de magnetares na Via Láctea e seus satélites evoluem de maneira distinta, com um rápido aumento para o brilho máximo seguido por uma cauda mais gradual de emissão flutuante. Essas variações resultam da rotação do magnetar, que traz repetidamente a localização do flare dentro e fora da vista da Terra, muito parecido com um farol.

Observar essa cauda flutuante é uma evidência conclusiva de um sinalizador gigante - uma arma fumegante, Hurley disse. Para chamas magnetares a milhões de anos-luz de distância, Contudo, esta emissão é muito fraca para ser detectada com os instrumentos de hoje. Por esta razão, explosões gigantes em nossa vizinhança galáctica podem ser confundidas com GRBs do tipo fusão mais distantes e poderosos.

As novas observações revelam pulsos múltiplos, com o primeiro aparecendo em apenas 77 microssegundos - cerca de 13 vezes a velocidade do flash de uma câmera e quase 100 vezes mais rápido do que o aumento dos GRBs mais rápidos produzidos por fusões.

"A combinação do tempo de subida e do tempo de decadência, nós pensamos, pode estar nos mostrando um modelo, porque já vimos isso antes - vimos em 2005, com outro evento, quase a cópia carbono. E o espectro de energia dos dois também era semelhante, "Hurley disse.

O monitor de explosão de raios gama da Fermi também detectou variações rápidas na energia ao longo da erupção, que nunca foram observadas antes.

"Chamas gigantes dentro de nossa galáxia são tão brilhantes que sobrecarregam nossos instrumentos, deixando-os pendurados em seus segredos, "disse Oliver Roberts, um cientista associado do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universities Space Research Association em Huntsville, Alabama, que liderou o estudo dos dados do Fermi. "Pela primeira vez, GRB 200415A e flares distantes como este permitem que nossos instrumentos capturem todos os recursos e explorem essas erupções poderosas em profundidade incomparável. "

Starquakes e reconexão do campo magnético

Sinalizadores gigantes são mal compreendidos, mas os astrônomos pensam que resultam de um rearranjo repentino do campo magnético do magnetar. Uma possibilidade é que o campo bem acima da superfície pode se tornar muito torcido, liberando energia repentinamente à medida que se acomoda em uma configuração mais estável. Uma falha mecânica da crosta do magnetar - um terremoto - pode desencadear a reconfiguração repentina.

"A ideia é que você tenha esse campo magnético super forte saindo da estrela, mas ancorado na crosta, e o campo magnético pode torcer, exercendo pressão sobre a crosta. A crosta tem um limite elástico, e depois de exceder esse limite elástico, ele racha. Então, essa rachadura envia ondas para o campo magnético, e essas ondas perturbam o campo, e você pode obter reconexão e liberação de energia e raios gama, "Hurley disse.

Roberts e seus colegas dizem que os dados mostram algumas evidências de vibrações sísmicas durante a erupção. Os pesquisadores dizem que essa emissão surgiu de uma nuvem de elétrons e pósitrons ejetados se movendo a cerca de 99% da velocidade da luz. A curta duração da emissão e sua mudança de brilho e energia refletem a rotação do magnetar, subindo e descendo como os faróis de um carro fazendo uma curva. Roberts o descreve como começando como uma bolha opaca - ele o imagina como um torpedo de fóton da franquia "Star Trek" - que se expande e se difunde conforme viaja.

O torpedo também é uma das maiores surpresas do evento. Os raios-X de mais alta energia registrados pelo Gamma-Burst Monitor alcançaram 3 milhões de elétron-volts (MeV), ou cerca de 1 milhão de vezes a energia da luz azul. O principal instrumento do satélite, o Large Area Telescope (LAT), também detectou três raios gama com energias de 480 MeV, 1,3 bilhão de elétron-volts (GeV) e 1,7 GeV - a luz de mais alta energia já detectada em uma explosão magnética gigante. O que é surpreendente é que todos esses raios gama apareceram muito depois de o clarão ter diminuído em outros instrumentos.

Nicola Omodei, um cientista pesquisador sênior da Universidade de Stanford, liderou a equipe do LAT na investigação desses raios gama, que chegou entre 19 segundos e 4,7 minutos após o evento principal. Os cientistas concluíram que esse sinal provavelmente também veio do clarão magnetar.

Um magnetar produz um fluxo constante de partículas que se movem rapidamente. À medida que essas partículas se movem pelo espaço, eles investem, retardar e desviar o gás interestelar. O gás se acumula, fica aquecido e comprimido, e forma um tipo de onda de choque chamada de choque em arco, como as ondas na frente de um barco em movimento.

No modelo proposto pela equipe LAT, o pulso inicial de raios gama da erupção viaja para fora na velocidade da luz, seguido pela nuvem de matéria ejetada, que está se movendo quase tão rápido. Depois de vários dias, ambos alcançam o choque do arco. Os raios gama passam. Segundos depois, a nuvem de partículas - agora expandida em uma vasta, casca fina - colide com o gás acumulado no amortecedor da proa. Essa interação cria ondas de choque que aceleram as partículas, produzindo os raios gama de maior energia após a explosão principal.

O flare de 15 de abril prova que os eventos de 2020 e 2004 constituem sua própria classe de GRBs, Hurley disse.

"Alguns por cento de GRBs curtos podem realmente ser chamas gigantes magnetar, "disse Eric Burns, um professor assistente de física e astronomia na Louisiana State University em Baton Rouge que liderou um estudo que identificou suspeitos magnetares extragaláticos adicionais. "Na verdade, podem ser as explosões de alta energia mais comuns que detectamos até muito além de nossa galáxia - cerca de cinco vezes mais freqüentes do que as supernovas. "

Embora as explosões perto da galáxia M81 em 2005 e da galáxia de Andrômeda (M31) em 2007 já tivessem sido sugeridas como chamas gigantes, sua equipe identificou um sinalizador recentemente relatado em M83, também visto em 2007. Adicione a isso a chama gigante de 1979 e aquelas observadas em nossa Via Láctea em 1998 e 2004.

"É uma pequena amostra, mas agora temos uma ideia melhor de suas verdadeiras energias, e até que ponto podemos detectá-los, "disse Burns, cujo estudo aparecerá ainda este ano em The Astrophysical Journal Letters .