Num piscar de olhos, uma estrela massiva a mais de 2 bilhões de anos-luz de distância perdeu uma luta de um milhão de anos contra a gravidade e entrou em colapso, desencadeando uma supernova e formando um buraco negro em seu centro.

Este buraco negro recém-nascido arrotou um flash fugaz, mas surpreendentemente intenso de raios gama conhecido como uma explosão de raios gama (GRB) em direção à Terra, onde foi detectado pelo Observatório Neil Gehrels Swift da NASA em 19 de dezembro de 2016.

Enquanto os raios gama da explosão desapareceram de vista escassos sete segundos depois, comprimentos de onda mais longos de luz da explosão, incluindo raios-X, luz visível, e rádio - continuou a brilhar por semanas. Isso permitiu aos astrônomos estudar as consequências deste evento fantasticamente energético, conhecido como GRB 161219B, com muitos observatórios terrestres, incluindo Very Large Array da National Science Foundation.

As capacidades únicas do Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), Contudo, permitiu que uma equipe de astrônomos fizesse um estudo extenso desta explosão em comprimentos de onda milimétricos, obter novos insights sobre este GRB em particular e o tamanho e a composição de seus poderosos jatos.

"Como o ALMA vê luz de comprimento de onda milimétrica, que carrega informações sobre como os jatos interagem com a poeira e o gás ao redor, é uma poderosa sonda dessas violentas explosões cósmicas, "disse Tanmoy Laskar, um astrônomo da Universidade da Califórnia, Berkeley, e Jansky Postdoctoral Fellow do National Radio Astronomy Observatory. Laskar é o principal autor do estudo, que aparece no Astrophysical Journal .

Essas observações permitiram aos astrônomos produzir o primeiro filme de lapso de tempo do ALMA de uma explosão cósmica, que revelou uma onda de choque reversa surpreendentemente duradoura da explosão ecoando pelos jatos. "Com nosso conhecimento atual de GRBs, normalmente esperaríamos que um choque reverso durasse apenas alguns segundos. Este durou boa parte de um dia inteiro, "Laskar disse.

Um choque reverso ocorre quando o material expelido de um GRB por seus jatos atinge o gás circundante. Este encontro retarda o escape de material, enviando uma onda de choque de volta para o jato.

Como os jatos não devem durar mais do que alguns segundos, um choque reverso deve ser um evento igualmente de curta duração. Mas agora parece não ser o caso.

"Por décadas, astrônomos pensaram que este choque reverso produziria um flash brilhante de luz visível, que até agora tem sido muito difícil de encontrar, apesar das pesquisas cuidadosas. Nossas observações do ALMA mostram que podemos estar procurando no lugar errado, e que observações milimétricas são nossa melhor esperança de capturar esses fogos de artifício cósmicos, "disse Carole Mundell da Universidade de Bath, e coautor do estudo.

Em vez de, a luz do choque reverso brilha mais intensamente nos comprimentos de onda milimétricos em escalas de tempo de cerca de um dia, que é provavelmente o motivo pelo qual foi tão difícil de detectar anteriormente. Enquanto a luz do milímetro inicial foi criada pelo choque reverso, o raio-X e a luz visível vieram do choque da onda de choque à frente do jato.

"O que foi único neste evento, "Laskar acrescenta, "é que quando o choque reverso entrou no jato, lentamente, mas continuamente transferiu a energia do jato para a onda de choque em movimento para a frente, fazendo com que o raio-X e a luz visível diminuam muito mais lentamente do que o esperado. Os astrônomos sempre se perguntaram de onde vem essa energia extra na onda de choque. Graças ao ALMA, sabemos que essa energia - até 85 por cento do total no caso do GRB 161219B - está escondida no material de movimento lento dentro do próprio jato. "

A emissão de choque reverso brilhante desapareceu dentro de uma semana. A onda de choque então brilhou na faixa milimétrica, dando ao ALMA a chance de estudar a geometria do jato.

A luz visível da onda de choque neste momento crítico, quando o fluxo de saída diminui apenas o suficiente para que todo o jato se torne visível na Terra, foi ofuscado pela supernova emergente da estrela que explodiu. Mas as observações do ALMA, livre de luz de supernova, permitiu aos astrônomos restringir o ângulo de abertura do fluxo de saída do jato a cerca de 13 graus.

Compreender a forma e a duração do fluxo de saída da estrela é essencial para determinar a verdadeira energia da explosão. Nesse caso, os astrônomos descobriram que os jatos continham tanta energia quanto o nosso Sol produz em um bilhão de anos.

"Esta é uma quantidade fantástica de energia, mas é na verdade um dos eventos menos energéticos que já vimos. Por que isso permanece um mistério, "diz Kate Alexander, um estudante de pós-graduação na Universidade de Harvard que liderou as observações de VLA relatadas neste estudo. "Embora a mais de dois bilhões de anos-luz de distância, este GRB é na verdade o evento mais próximo para o qual medimos as propriedades detalhadas do fluxo de saída, graças ao poder combinado do ALMA e do VLA. "

O VLA, que observa em comprimentos de onda mais longos, continuou a observar a emissão de rádio do choque reverso depois que ele desapareceu do campo de visão do ALMA.

This is only the fourth gamma-ray burst with a convincing, multi-frequency detection of a reverse shock, observam os pesquisadores. The material around the collapsing star was about 3, 000 times less dense than the average density of gas in our galaxy, and these new ALMA observations suggest that such low-density environments are essential for producing reverse shock emission, which may explain why such signatures are so rare.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."