Em outubro de 2022, uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo astrofísicos da Northwestern University, observou a explosão de raios gama (GRB) mais brilhante já registrada, GRB 221009A.



Agora, uma equipe liderada pela Northwestern confirmou que o fenômeno responsável pela explosão histórica – apelidado de B.O.A.T. ("mais brilhante de todos os tempos") - é o colapso e subsequente explosão de uma estrela massiva. A equipe descobriu a explosão, ou supernova, usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA.

Embora esta descoberta resolva um mistério, outro mistério se aprofunda.

Os investigadores especularam que a evidência de elementos pesados, como a platina e o ouro, poderia residir na supernova recentemente descoberta. A extensa busca, porém, não encontrou a assinatura que acompanha tais elementos. A origem dos elementos pesados ​​no universo continua a ser uma das maiores questões em aberto da astronomia.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Astronomy .

"Quando confirmámos que o GRB foi gerado pelo colapso de uma estrela massiva, isso deu-nos a oportunidade de testar uma hipótese sobre como alguns dos elementos mais pesados ​​do Universo são formados," disse Peter Blanchard da Northwestern, que liderou o estudo.

"Não vimos assinaturas desses elementos pesados, sugerindo que GRBs extremamente energéticos como o BOAT não produzem esses elementos. Isso não significa que todos os GRBs não os produzam, mas é uma informação importante à medida que continuamos a entender de onde vêm esses elementos pesados. Observações futuras com o JWST determinarão se os primos 'normais' do B.O.A.T. produzem esses elementos."

Nascimento do B.O.A.T.

Quando sua luz inundou a Terra em 9 de outubro de 2022, o B.O.A.T. era tão brilhante que saturou a maioria dos detectores de raios gama do mundo. A poderosa explosão ocorreu a aproximadamente 2,4 bilhões de anos-luz de distância da Terra, na direção da constelação de Sagitta e durou algumas centenas de segundos. À medida que os astrónomos lutavam para observar a origem deste fenómeno incrivelmente brilhante, foram imediatamente atingidos por uma sensação de admiração.

"Desde que tenhamos sido capazes de detectar GRBs, não há dúvida de que este GRB é o mais brilhante que já testemunhamos por um fator de 10 ou mais", disse Wen-fai Fong, professor associado de física e astronomia na Northwestern's Weinberg. Faculdade de Artes e Ciências e membro do CIERA, disse na época.

“O evento produziu alguns dos fótons de maior energia já registrados por satélites projetados para detectar raios gama”, disse Blanchard. "Este foi um evento que a Terra vê apenas uma vez a cada 10.000 anos. Temos a sorte de viver numa época em que temos a tecnologia para detectar essas explosões acontecendo em todo o universo. É tão emocionante observar um fenômeno astronômico tão raro como o B.O.A.T. e trabalhar para entender a física por trás deste evento excepcional."

Uma supernova 'normal'

Em vez de observar o evento imediatamente, Blanchard, a sua colaboradora próxima Ashley Villar, da Universidade de Harvard, e a sua equipa queriam ver o GRB durante as suas fases posteriores. Cerca de seis meses após a detecção inicial do GRB, Blanchard usou o JWST para examinar suas consequências.

“O GRB era tão brilhante que obscureceu qualquer assinatura potencial de supernova nas primeiras semanas e meses após a explosão”, disse Blanchard. "Nesses momentos, o chamado brilho residual do GRB era como os faróis de um carro vindo direto em sua direção, impedindo que você visse o carro em si. Então, tivemos que esperar que ele diminuísse significativamente para nos dar uma chance de vendo a supernova."

Blanchard usou o espectrógrafo infravermelho próximo do JWST para observar a luz do objeto em comprimentos de onda infravermelhos. Foi então que ele viu a assinatura característica de elementos como cálcio e oxigênio, normalmente encontrados em uma supernova. Surpreendentemente, não era excepcionalmente brilhante – como o GRB incrivelmente brilhante que o acompanhava.

“Não é mais brilhante do que as supernovas anteriores”, disse Blanchard. "Parece bastante normal no contexto de outras supernovas associadas a GRBs menos energéticas. Você poderia esperar que a mesma estrela em colapso produzindo uma GRB muito energética e brilhante também produziria uma supernova muito energética e brilhante. Mas acontece que não é o caso .Temos este GRB extremamente luminoso, mas uma supernova normal."

Faltando:elementos pesados

Depois de confirmar – pela primeira vez – a presença da supernova, Blanchard e os seus colaboradores procuraram evidências de elementos pesados ​​no seu interior. Atualmente, os astrofísicos têm uma imagem incompleta de todos os mecanismos do universo que podem produzir elementos mais pesados ​​que o ferro.

O principal mecanismo para a produção de elementos pesados, o processo rápido de captura de nêutrons, requer uma alta concentração de nêutrons. Até agora, os astrofísicos apenas confirmaram a produção de elementos pesados ​​através deste processo na fusão de duas estrelas de neutrões, uma colisão detectada pelo Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferómetro Laser (LIGO) em 2017.

Mas os cientistas dizem que deve haver outras maneiras de produzir esses materiais indescritíveis. Existem simplesmente demasiados elementos pesados ​​no Universo e muito poucas fusões de estrelas de neutrões.

“Provavelmente existe outra fonte”, disse Blanchard. "Leva muito tempo para que estrelas de nêutrons binárias se fundam. Duas estrelas em um sistema binário primeiro precisam explodir para deixar para trás estrelas de nêutrons. Depois, pode levar bilhões e bilhões de anos para que as duas estrelas de nêutrons se aproximem lentamente e mais perto e finalmente se fundir.

"Mas as observações de estrelas muito antigas indicam que partes do Universo foram enriquecidas com metais pesados ​​antes que a maioria das estrelas binárias de neutrões tivessem tempo de se fundir. Isso aponta-nos para um canal alternativo."

Os astrofísicos levantaram a hipótese de que elementos pesados ​​também poderiam ser produzidos pelo colapso de uma estrela massiva e de rotação rápida – o tipo exato de estrela que gerou o B.O.A.T. Usando o espectro infravermelho obtido pelo JWST, Blanchard estudou as camadas internas da supernova, onde os elementos pesados ​​deveriam se formar.

"O material explodido da estrela é opaco nos primeiros tempos, por isso só podemos ver as camadas exteriores," disse Blanchard. "Mas quando se expande e esfria, torna-se transparente. Então podemos ver os fótons vindos da camada interna da supernova."

“Além disso, diferentes elementos absorvem e emitem fotões em diferentes comprimentos de onda, dependendo da sua estrutura atómica, dando a cada elemento uma assinatura espectral única”, explicou Blanchard. "Portanto, olhar para o espectro de um objeto pode nos dizer quais elementos estão presentes. Ao examinar o espectro do B.O.A.T., não vimos nenhuma assinatura de elementos pesados, sugerindo que eventos extremos como GRB 221009A não são fontes primárias. Esta é uma informação crucial, pois continuamos tentando determinar onde os elementos mais pesados ​​são formados."

Por que é tão brilhante?

Para separar a luz da supernova daquela do brilho posterior que veio antes dela, os pesquisadores combinaram os dados do JWST com observações do Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), no Chile.

"Mesmo vários meses após a descoberta da explosão, o brilho residual foi brilhante o suficiente para contribuir com muita luz nos espectros do JWST", disse Tanmoy Laskar, professor assistente de física e astronomia na Universidade de Utah e coautor do estudo. estudar.

"A combinação de dados dos dois telescópios ajudou-nos a medir exatamente o quão brilhante era o brilho residual no momento das nossas observações do JWST e permitiu-nos extrair cuidadosamente o espectro da supernova."

Embora os astrofísicos ainda não tenham descoberto como uma supernova “normal” e uma GRB recorde foram produzidas pela mesma estrela em colapso, Laskar disse que isso pode estar relacionado com a forma e a estrutura dos jatos relativísticos. Ao girar rapidamente, estrelas massivas colapsam em buracos negros, produzindo jatos de material que são lançados a taxas próximas à velocidade da luz. Se esses jatos forem estreitos, eles produzem um feixe de luz mais focado – e mais brilhante.

“É como focar o feixe de uma lanterna em uma coluna estreita, em oposição a um feixe largo que atravessa uma parede inteira”, disse Laskar. "Na verdade, este foi um dos jactos mais estreitos observados até agora para uma explosão de raios gama, o que nos dá uma ideia da razão pela qual o brilho residual apareceu tão brilhante como apareceu. Pode haver outros factores responsáveis ​​também, uma questão que os pesquisadores estudarão nos próximos anos."

Pistas adicionais também podem vir de estudos futuros da galáxia em que o B.O.A.T. ocorreu. "Além de um espectro do próprio BOAT, também obtivemos um espectro de sua galáxia 'hospedeira'", disse Blanchard. "O espectro mostra sinais de intensa formação estelar, sugerindo que o ambiente de nascimento da estrela original pode ser diferente dos eventos anteriores."

O membro da equipe Yijia Li, um estudante de graduação na Penn State, modelou o espectro da galáxia, descobrindo que a galáxia hospedeira do BOAT tem a metalicidade mais baixa, uma medida da abundância de elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio, de todos os hospedeiros GRB anteriores. galáxias. "Este é outro aspecto único do BOAT que pode ajudar a explicar suas propriedades", disse Li.

Este trabalho é baseado em observações feitas com o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA.

Blanchard é pós-doutorado no Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern, onde estuda supernovas superluminosas e GRBs. O estudo inclui coautores do Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian; Universidade de Utah; Estado de Penn; Universidade da California, Berkeley; Universidade Radbound na Holanda; Instituto de Ciências do Telescópio Espacial; Universidade do Arizona/Observatório Steward; Universidade da Califórnia, Santa Bárbara; Universidade Columbia; Instituto Flatiron; Universidade de Greifswald e Universidade de Guelph.

Mais informações: Detecção JWST de uma supernova associada a GRB 221009A sem uma assinatura de processo r', Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Informações do diário: Astronomia da Natureza

Fornecido pela Northwestern University