Explosão cósmica mais brilhante de todos os tempos: os cientistas podem ter resolvido o mistério de sua persistência

Detectadas pela primeira vez acidentalmente por satélites militares dos EUA no final dos anos 1960, as explosões cósmicas conhecidas como explosões de raios gama (GRBs) passaram a ser entendidas como as explosões mais brilhantes do universo.

Normalmente, eles são o resultado do nascimento cataclísmico de um buraco negro em uma galáxia distante. Uma maneira de isso acontecer é através do colapso de uma única estrela massiva.

Astrônomos como eu trabalhando no campo estão bem cientes das enormes escalas de energia envolvidas em GRBs. Sabemos que eles podem liberar tanta energia em raios gama quanto o sol durante toda a sua vida. Mas, de vez em quando, observa-se um acontecimento que ainda nos faz pensar.

Em outubro de 2022, os detectores de raios gama nos satélites orbitais Fermi e no Neil Gehrels Swift Observatory observaram uma explosão conhecida como GRB 221009A (a data da detecção).

Isso rapidamente se tornou um recordista. Ele foi apelidado de o mais brilhante de todos os tempos, ou o "Barco", como uma abreviação conveniente entre os astrônomos que estudam e observam o evento. O Barco não apenas começou brilhante, como se recusou a desaparecer como outras rajadas.

Ainda não sabemos completamente por que a explosão foi tão excepcionalmente brilhante, mas nosso novo estudo, publicado na Science Advances, fornece uma resposta para sua teimosa persistência.

A explosão se originou de uma distância de 2,4 bilhões de anos-luz – relativamente próxima para um GRB. Mas, mesmo levando em conta a distância relativa, a energia do evento e a radiação produzida por suas consequências estavam fora de escala. Decididamente, não é normal que um evento cosmicamente distante deposite cerca de um gigawatt de energia na atmosfera superior da Terra.

GRBs como o Boat lançam um fluxo de gás movendo-se muito próximo à velocidade da luz para o espaço. Como exatamente o jato é lançado permanece um quebra-cabeça – mas provavelmente envolve campos magnéticos perto de onde o buraco negro está sendo formado.

É a primeira emissão desse jato que vemos como explosão. Mais tarde, o jato desacelera e produz radiação adicional, um resplendor de luz que se apaga — desde ondas de rádio até (em casos excepcionais) raios gama.

Não observamos jatos diretamente. Em vez disso, como estrelas distantes, vemos GRBs como pontos no céu. No entanto, temos boas razões para acreditar que GRBs não explodem igualmente em todas as direções. Para GRB 221009A, isso certamente não seria razoável, pois envolveria multiplicar a quantidade de energia detectada na Terra por todas as outras direções – totalizando muito mais energia do que qualquer estrela teria disponível.

Outra indicação de que os GRBs vêm de jatos apontando aproximadamente para nós é devido à teoria da relatividade especial. A relatividade nos ensina que a velocidade da luz é constante, não importa o quão rápido uma fonte se mova em nossa direção. Mas isso ainda permite que a direção da luz fique distorcida. Graças a esse efeito de espelho divertido, a luz emitida em todas as direções da superfície de um jato em movimento rápido acabará sendo fortemente focada ao longo de sua direção de movimento.

Dito isso, as bordas de um jato indo em nossa direção serão levemente curvadas, o que significa que sua luz está focada em nossa direção. Somente mais tarde, quando o jato desacelera, as bordas normalmente aparecem e o brilho residual começa a desaparecer mais rapidamente.

Mas aqui novamente, GRB 221009A quebrou as regras. Suas bordas nunca apareceram e ela se juntou a um seleto grupo de rajadas muito brilhantes que se recusam a desaparecer normalmente. Em vez de começar a desaparecer lentamente e depois desaparecer rapidamente, está desaparecendo constantemente com o tempo.

Em nosso trabalho, demonstramos como a aparência das bordas do jato pode ser obscurecida de forma que coincida com as observações do Barco. A ideia-chave é a seguinte: sim, um jato estreito foi lançado, mas teve dificuldade em escapar da estrela em colapso, levando a muita mistura com o gás estelar ao longo das laterais do jato.

Para testar se esse era realmente o caso, pegamos um resultado de simulação de computador mostrando essa mistura e o implementamos em um modelo que poderia ser comparado diretamente aos dados do barco. E mostrou que o que normalmente seria uma mudança rápida para um sinal fortemente enfraquecido, agora se tornou um caso prolongado.