Explosões de raios gama (GRBs) são os fenômenos transitórios mais luminosos e explosivos do universo após o Big Bang. Uma ferramenta poderosa para caracterizar e classificar GRBs para permitir que eles sejam usados ​​como rastreadores da história de expansão do universo e para entender seus misteriosos e debatidos mecanismos físicos foi recentemente apresentada por uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Dra. Maria Dainotti, professor assistente na Universidade Jagiellonian, Polônia. O novo artigo, que foi aceito pelo Astrophysical Journal , é uma análise estatística das propriedades dos misteriosos GRBs, com o objetivo de determinar as propriedades observacionais das subclasses de GRB. O artigo dá atenção especial aos GRBs associados a kilonovae.

Os astrônomos só podem medir distâncias diretamente a objetos que estão próximos da Terra e devem extrapolar as distâncias para objetos mais distantes. Todos os objetos que servem como degraus na escada da distância cosmológica têm luminosidades conhecidas e são chamados de "velas padrão". Uma vez que a luminosidade absoluta da vela padrão é conhecida, a distância para aquele objeto pode ser calculada com base em seu brilho medido. Por exemplo, a luz da mesma vela padrão parecerá mais fraca quando estiver mais longe. GRBs são tão poderosos que, em poucos segundos, eles emitem o equivalente à energia emitida pelo sol durante toda a sua vida. Assim, é possível observar GRBs a distâncias incrivelmente grandes (a.k.a., alto redshift), muito mais longe do que as velas padrão, como as supernovas do tipo Ia (SNe Ia), que são observadas a até 11 bilhões de anos-luz. Usar GRBs como um novo tipo de vela padrão permitirá aos astrônomos estudar e compreender questões cosmológicas que podem mudar os modelos atuais em relação à história do universo e sua evolução.

Apesar de décadas de observações, um modelo abrangente capaz de explicar os mecanismos físicos subjacentes e propriedades desses objetos ainda não foi alcançado. Muitas origens físicas possíveis para GRBs foram propostas, como a explosão de uma estrela extremamente massiva (os GRBs de longa duração) ou a fusão de dois objetos compactos (os GRBs de curta duração).

Kilonovae (KNe) são objetos astrofísicos ligados a GRBs que duram menos de dois segundos. Esses GRBs curtos vêm de explosões após a fusão de dois objetos compactos, como estrelas de nêutrons (NS). A detecção de emissão de raios-X em um local coincidente com o transiente KN pode fornecer o elo de observação ausente entre GRBs curtos e ondas gravitacionais (GWs) produzidas por fusões NS. A primeira detecção do KN associado ao GW e ao curto GRB 170817 abriu uma nova era de observações e investigação teórica. A peça que faltava nesta longa história é a conexão de KNe e as correlações observacionais GRB que Dainotti et al. agora forneça.

Mesmo quando todos os GRBs são observados com o mesmo satélite, nesse caso, Observatório Neil Gehrels Swift da NASA, as características dos GRBs variam amplamente em várias ordens de magnitude. Isso se aplica não apenas à emissão imediata (o principal evento nos raios gama), mas também para a fase prolongada de pós-luminescência (que segue a emissão imediata e é vista em uma ampla faixa de comprimentos de onda). Assim, o ponto-chave do artigo de Dainotti et al., é a busca por recursos que permanecem invariáveis ​​de acordo com classes peculiares de GRBs.

A equipe encontrou uma correlação 3-D, ou seja, uma ligação entre as três variáveis ​​a seguir que identifica um plano:duração da fase de platô de raios-X, sua luminosidade, e a luminosidade do recurso de raios gama do prompt de pico. As distâncias dos GRBs do plano de uma determinada classe permitiram aos autores determinar se os GRBs pertencem a essa classe em particular, mostrando diferentes características relacionadas a essa correlação 3-D. Dainotti et al. também mostram que, embora os eventos GRBs-KNe sejam uma subamostra da classe maior de GRBs de curta duração (cubóides vermelhos), eles mostram algumas peculiaridades de observação:Na verdade, todos eles estão abaixo do plano fundamental curto, conforme mostrado na Figura 1 (icosaedros truncados amarelos).

Nesta análise, vieses de seleção e efeitos evolutivos (a saber, como as variáveis ​​mudam com a distância ou redshift) foram contabilizados e mostraram que o plano fundamental apontado por kilonovae é confiável e é independente dos efeitos de seleção; portanto, a aplicação futura deste plano como uma ferramenta cosmológica é possível. Na verdade, o plano GRBs-KNe tem a menor distância observada de seu plano, chamado de dispersão intrínseca. Aqui, essa dispersão é 29% menor do que na análise anterior, veja a Fig. 1, que foi de um comunicado de imprensa da NASA em 2016. Notamos que este achado foi alcançado de forma natural, sem assumir nenhum critério de observação como havia sido feito em estudos anteriores realizados por alguns dos autores desta pesquisa. Este novo resultado é, portanto, um passo muito mais à frente do que as análises anteriores.

Notamos aqui que todos os KN-SGRBs (marcados em amarelo) ficam abaixo do plano de melhor ajuste. Além disso, os GRBs associados ao plano KNe ainda tem uma distância muito pequena do respectivo plano kilonovae quando a evolução é contabilizada, veja a Fig. 2. Quanto menor a distância do avião, mais útil é o plano para ser usado como uma ferramenta cosmológica. Uma grande vantagem de usar os GRBs associados a kilonovae é que os eventos GRBKNe têm um processo de emissão física mais claro em comparação com outras classes de GRB observacionais.

Assim, o salto adiante neste estudo é que esta amostra tem um aterramento físico relacionado à relação do plano fundamental independente das características da fase de platô que podem variar amplamente de um GRB para outro.