As explosões mais fortes do universo produzem ainda mais radiação energética do que se conhecia anteriormente:usando telescópios especializados, duas equipes internacionais registraram os raios gama de maior energia já medidos nas chamadas explosões de raios gama, atingindo cerca de 100 bilhões de vezes mais energia do que a luz visível. Os cientistas do H.E.S.S. e os telescópios MAGIC apresentam suas observações em publicações independentes no jornal Natureza . Estas são as primeiras detecções de explosões de raios gama com telescópios de raios gama baseados no solo. DESY desempenha um papel importante em ambos os observatórios, que são operados sob a liderança da Sociedade Max Planck.

Explosões de raios gama (GRB) são repentinas, rajadas curtas de radiação gama acontecendo uma vez por dia em algum lugar do universo visível. De acordo com o conhecimento atual, eles se originam da colisão de estrelas de nêutrons ou de explosões de supernovas de sóis gigantes que colapsam em um buraco negro. "Explosões de raios gama são as explosões mais poderosas conhecidas no universo e normalmente liberam mais energia em apenas alguns segundos do que nosso Sol durante toda a sua vida - elas podem brilhar por quase todo o universo visível, "explica David Berge, chefe de astronomia de raios gama no DESY. O fenômeno cósmico foi descoberto por acaso no final da década de 1960 por satélites usados ​​para monitorar o cumprimento da proibição de testes nucleares na Terra.

Desde então, astrônomos têm estudado explosões de raios gama com satélites, já que a atmosfera da Terra absorve os raios gama de maneira muito eficaz. Os astrônomos desenvolveram telescópios especializados que podem observar um brilho azul fraco chamado luz Cherenkov que os raios gama cósmicos induzem na atmosfera, mas esses instrumentos são sensíveis apenas aos raios gama com energias muito altas. Infelizmente, o brilho das explosões de raios gama diminui drasticamente com o aumento da energia. Os telescópios Cherenkov identificaram muitas fontes de raios gama cósmicos em energias muito altas, mas sem rajadas de raios gama. Satélites, por outro lado, têm detectores muito pequenos para serem sensíveis ao baixo brilho das explosões de raios gama em energias muito altas. Então, era efetivamente desconhecido, se as explosões de monstros emitem raios gama também no regime de energia muito alta.

Os cientistas tentaram por muitos anos, para capturar uma explosão de raios gama com telescópios Cherenkov. Então de repente, entre o verão de 2018 e janeiro de 2019, duas equipes internacionais de astrônomos, ambos envolvendo cientistas do DESY, detectou raios gama de dois eventos GRB pela primeira vez do solo. Em 20 de julho de 2018, fraca emissão de pós-luminescência de GRB 180720B no regime de raios gama foi observada com o telescópio de 28 metros do High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. na Namíbia. Em 14 de janeiro de 2019, emissão inicial brilhante de GRB 190114C foi detectada pelos telescópios Cherenkov (MAGIC) de imagens de gama atmosférica principais em La Palma, e imediatamente anunciado para a comunidade astronômica.

Ambas as observações foram acionadas por satélites de raios gama da agência espacial americana NASA, que monitoram o céu em busca de explosões de raios gama e enviam alertas automáticos para outros observatórios de raios gama assim que são detectados. “Conseguimos apontar a região de origem tão rapidamente que pudemos começar a observar apenas 57 segundos após a detecção inicial da explosão, "relata Cosimo Nigro do grupo MAGIC em DESY, quem estava encarregado do turno de observação naquele momento. “Nos primeiros 20 minutos de observação, detectamos milhares de fótons de GRB 190114C. "

O MAGIC registrou raios gama com energias entre 200 e 1000 bilhões de elétron-volts (0,2 a 1 teraeletronvolts). "Estes são, de longe, os fótons de maior energia já descobertos em uma explosão de raios gama, "diz Elisa Bernardini, líder do grupo MAGIC em DESY. Para comparação:a luz visível está na faixa de cerca de 1 a 3 elétron volts.

A rápida descoberta permitiu alertar rapidamente toda a comunidade observacional. Como resultado, mais de vinte telescópios diferentes tiveram uma visão mais profunda do alvo. Isso permitiu localizar os detalhes do mecanismo físico responsável pela maior emissão de energia, conforme descrito no segundo artigo liderado pela colaboração MAGIC. Observações de acompanhamento colocaram GRB 190114C a uma distância de mais de quatro bilhões de anos-luz. Isso significa, sua luz viajou mais de quatro bilhões de anos até nós, ou cerca de um terço da idade atual do universo.

GRB 180720B, a uma distância de seis bilhões de anos-luz ainda mais longe, ainda poderia ser detectado em raios gama com energias entre 100 e 440 bilhões de elétron-volts muito depois da explosão inicial. "Surpreendentemente, o H.E.S.S. telescópio observou um excedente de 119 gamma quanta na direção da explosão mais de dez horas após o evento de explosão ter sido visto pela primeira vez por satélites, "diz Stefan Ohm, chefe do H.E.S.S. grupo no DESY.

"A detecção veio bastante inesperada, como as explosões de raios gama estão desaparecendo rapidamente, deixando para trás um brilho que pode ser visto por horas a dias em muitos comprimentos de onda de rádio a raios-X, mas nunca tinha sido detectado em raios gama de alta energia antes, "acrescenta o teórico do DESY, Andrew Taylor, que contribuiu para o H.E.S.S. análise. "Este sucesso também se deve a uma estratégia de acompanhamento aprimorada, na qual também nos concentramos em observações posteriores após o colapso real das estrelas."

A detecção de explosões de raios gama em energias muito altas fornece novos insights importantes sobre as explosões gigantescas. "Tendo estabelecido que os GRBs produzem fótons com energias centenas de bilhões de vezes maiores do que a luz visível, agora sabemos que GRBs são capazes de acelerar com eficiência as partículas dentro do material ejetado da explosão, "diz o pesquisador do DESY, Konstancja Satalecka, um dos cientistas coordenando pesquisas GRB na colaboração MAGIC. "O que mais, Acontece que estávamos perdendo aproximadamente metade de seu orçamento de energia até agora. Nossas medições mostram que a energia liberada em raios gama de altíssima energia é comparável à quantidade irradiada em todas as energias inferiores tomadas em conjunto. Isso é notável! "

É um desafio explicar como os raios gama de energia muito alta observados são gerados. Ambos os grupos assumem um processo de duas fases:primeiro, partículas eletricamente carregadas da nuvem de explosão são desviadas nos campos magnéticos fortes e emitem a chamada radiação síncrotron, que é da mesma natureza da radiação que pode ser produzida em síncrotrons ou outros aceleradores de partículas na Terra, por exemplo em DESY. Contudo, somente sob condições bastante extremas os fótons síncrotron da explosão seriam capazes de alcançar as altíssimas energias observadas. Em vez de, os cientistas consideram uma segunda etapa, onde os fótons síncrotron colidem com as partículas rápidas que os geraram, que os impulsiona para as energias de raios gama muito altas registradas. Os cientistas chamam a última etapa de espalhamento Compton inverso.

"Pela primeira vez, os dois instrumentos mediram a radiação gama de rajadas de raios gama do solo, "conclui Berge." Essas duas observações inovadoras estabeleceram explosões de raios gama como fontes para telescópios de raios gama terrestres. Isso tem o potencial de avançar significativamente nossa compreensão desses fenômenos violentos. "Os cientistas estimam que até dez desses eventos por ano podem ser observados com o Cherenkov Telescope Array (CTA) planejado, o observatório de raios gama da próxima geração. O CTA consistirá em mais de 100 telescópios individuais de três tipos que serão construídos em dois locais nos hemisférios norte e sul. DESY é responsável pela construção dos telescópios de médio porte e hospedará o Centro de Gerenciamento de Dados Científicos do CTA em seu campus em Zeuthen. Espera-se que as observações do CTA comecem em 2023, no mínimo.