Detectada uma “monstruosa” explosão de raios gama a 4500 milhões de anos-luz de nós

Equipa internacional de cientistas captou uma explosão de raios gama um bilião de vezes mais energéticos do que a luz visível numa galáxia a 4500 milhões de anos-luz da Terra.

,telescópio espacial Hubble
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Ilustração da explosão de raios gama a 4500 milhões de anos-luz,Ilustração da explosão de raios gama a 4500 milhões de anos-luz ESA/Hubble/M. Kornmesser,ESA/Hubble/M. Kornmesser
Sistema estereoscópico de alta energia
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Telescópios do consórcio HESS (High Energy Stereoscopic System), na Namíbia, que detectam raios gama de elevada energia MPIK/Christian Föhr

Enquanto está a ler as linhas deste texto, os seus olhos estão a ver sobretudo fotões com energia entre dois e três electrão-volts. No início do ano, uma equipa internacional de cientistas detectou uma explosão de raios gama a 4500 milhões de anos-luz que emitiu fotões com energias entre os 0,2 e um teraelectrão-volts (TeV). Isto significa que essa explosão lançou fotões com 1.000.000.000.000 electrão-volts, o que equivale a cerca de um bilião de vezes mais a energia dos fotões que vemos durante a leitura deste texto. Publicado esta quinta-feira na revista científica Nature, este trabalho revela assim a detecção de uma explosão de raios gama distante de nós com fotões altamente energéticos.

As explosões de raios gama (GRB, na sigla em inglês) analisadas nesta edição da Nature caracterizam-se por serem breves, extremamente poderosas e ocorridas a grandes distâncias cósmicas. A GRB mais próxima de nós fica a pouco mais de 100 milhões de anos-luz. Em poucos segundos, estas explosões libertam energia que é comparável àquela que é emitida pelo Sol durante toda a sua vida. Pensa-se que sejam o resultado do colapso de estrelas maciças no final da sua vida ou de fusões de sistemas binários de objectos compactos como estrelas de neutrões.

Estas explosões começam com uma rápida emissão muito brilhante que pode durar desde fracções de segundo até alguns minutos. A seguir à emissão inicial há um brilho remanescente, que é menos brilhante e mais extenso.

A 14 de Janeiro de 2019, dois satélites espaciais independentes detectaram uma explosão de raios gama, a GRB 190114C. Em poucos segundos, foi logo lançado um alerta electrónico para astrónomos de todo o mundo, nomeadamente para os da Colaboração MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), que tem dois telescópios para detectar raios gama em La Palma, nas ilhas Canárias.

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Representação artística de um dos telescópios da colaboração MAGIC, que detectam raios gama com elevadas energias Gabriel Pérez Díaz/IAC

Com este alerta quase em tempo real, estes telescópios direccionaram-se rapidamente para a posição do céu desta explosão de raios gama. Assim, conseguiram observar a GRB 190114C apenas 50 segundos depois de ter começado.

Publicados em dois artigos científicos na Nature, os resultados dessas observações mostram então que essa GRB emitiu fotões de energia entre 0,2 e um TeV cerca de um minuto depois da explosão. Para perceber qual era o mecanismo por detrás desta emissão, a equipa analisou ainda dados de vários telescópios. Sugere-se agora que fotões de baixa energia interagiram com electrões de elevada energia e que houve uma “troca” de energia, o que fez com que os fotões aumentassem assim a sua energia. Este processo chama-se “efeito de Compton”.  

Verificou-se ainda que esta GRB se localiza numa galáxia cuja luz levou 4500 milhões de anos até chegar à Terra. Como está a essa distância, os autores notam que a energia inicial dos fotões desta explosão pode ter sido “fortemente absorvida” pela luz de fundo extragaláctica (EBL, na sigla em inglês) até ter chegado à Terra. “Não é bem claro se a GRB 190114C consegue produzir fotões com energias mais elevadas do que um TeV”, sublinha Razmik Mirzoyan, investigador da colaboração MAGIC e um dos autores dos artigos. “Talvez possa produzir, mas não têm capacidade de chegar até nós, porque são absorvidas pela EBL.”

Num comentário aos artigos também na Nature, Bing Zhang (da Universidade do Nevada, nos EUA, e que não fez parte do trabalho) destaca que, até agora, as emissões vindas das GRB só tinham sido observadas em energias abaixo dos 100 gigaelectrão-volts (que equivale a 0,1 TeV). Eram as tais explosões a mais de 100 milhões de anos-luz de nós. Ora, na GRB 190114C detectaram-se fotões com entre 0,2 e um TeV e mais distantes com esta energia.

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Imagem da explosão de raios gama a 4500 milhões de anos-luz de nós NASA/ESA/V. Acciari <i>et al</i>

Mas estes não são os únicos “tipos” de explosões de raios gama. Por exemplo, na nossa galáxia – mais precisamente a cerca de 6500 anos-luz da Terra –, já se detectaram raios gama com 80 teraelectrão-volts na nebulosa de Caranguejo. Razmik Mirzoyan explica que os raios gama desta nebulosa surgiram da remanescente de uma supernova que explodiu em 1054. Como tal, o investigador destaca: “A GRB 190114C ocorreu numa galáxia mais longínqua – cerca de um milhão de vezes mais longe do que a nebulosa de Caranguejo. Por isso, imagine quão poderosa terá sido tendo em conta a sua distância: só nos primeiros 30 segundos, medimos um sinal 130 vezes mais forte do que o da nebulosa de Caranguejo.”

Razmik Mirzoyan realça ainda ao PÚBLICO que antes desta descoberta até “se tinha subestimado a energia total vinda das GRB”. “Agora, depois de termos aprendido diversos detalhes sobre as medições, podemos compreender melhor como é que estas monstruosas explosões funcionam.”

Ainda mais longe…

Mas há mais. Na tarde de 20 de Julho de 2018, já tinha existido um alerta para uma outra explosão de raios gama. Depois da detecção dos telescópios e da análise dos dados, outra equipa internacional de cientistas concluiu que era mesmo uma explosão de raios gama a 7000 milhões de anos-luz da Terra, a GRB 180720B. Esta descoberta é publicada num terceiro artigo científico sobre raios gama na Nature.

Edna Velasco – do Instituto Max Planck para a Física Nuclear (na Alemanha) e uma das autoras do artigo – indica ao PÚBLICO que esta explosão deve ter sido emitida durante a formação de um buraco negro que terá tido origem na morte de uma estrela maciça.

Um dos resultados mais surpreendentes deste trabalho aconteceu mesmo dez horas depois da emissão inicial: no brilho remanescente, verificou-se que os fotões tinham energias bastante elevadas, nomeadamente entre 100 e 440 gigaelectrão-volts. Tal como os fotões das explosões de raios gama de 2019, também estas ultrapassaram 100 gigaelectrão-volts (ou seja, mais de 0,1 TeV).

“Estamos a falar de energias comparáveis às que são atingidas no LHC [Grande Colisor de Hadrões, o maior acelerador de partículas do mundo]. Esta luz é 100 mil milhões de vezes mais energética do que a luz visível”, refere Edna Velasco. “Mostra-se também que as GRB são capazes de emitir luz energética que pode durar várias horas depois da explosão ter começado. Isto dá-nos uma ideia de como estas explosões podem ser energéticas e quão eficiente é o ambiente que as envolve.”

Para se descobrir mais segredos sobre os raios gama, Portugal e mais oito países juntaram-se numa colaboração internacional para construir um observatório de raios gama nos Andes que servirá para detectar raios gama de energia mais alta e procurar sinais de matéria escura no centro da Via Láctea. Por enquanto, sabe-se que o projecto da infra-estrutura será concluído em 2022 para que o consórcio avance com candidaturas a financiamento para a obra que durará cinco anos. Este será assim o primeiro laboratório de observação de raios gama no hemisfério Sul.