Explosão de raios gama -Gamma-ray burst

Ilustração artística mostrando a vida de uma estrela massiva à medida que a fusão nuclear converte elementos mais leves em mais pesados. Quando a fusão não gera mais pressão suficiente para neutralizar a gravidade, a estrela colapsa rapidamente para formar um buraco negro . Teoricamente, a energia pode ser liberada durante o colapso ao longo do eixo de rotação para formar um GRB.

Na astronomia de raios gama , explosões de raios gama ( GRBs ) são explosões imensamente energéticas que foram observadas em galáxias distantes . São os eventos eletromagnéticos mais energéticos e luminosos desde o Big Bang . As rajadas podem durar de dez milissegundos a várias horas. Após um flash inicial de raios gama , um "resplendor" de vida mais longa geralmente é emitido em comprimentos de onda mais longos ( raios X , ultravioleta , óptico , infravermelho , micro-ondas e rádio ).

Acredita-se que a intensa radiação da maioria dos GRBs observados seja liberada durante uma supernova ou supernova superluminosa quando uma estrela de grande massa implode para formar uma estrela de nêutrons ou um buraco negro . Uma subclasse de GRBs parece originar-se da fusão de estrelas binárias de nêutrons .

As fontes da maioria dos GRBs estão a bilhões de anos-luz de distância da Terra , o que implica que as explosões são extremamente energéticas (uma explosão típica libera tanta energia em poucos segundos quanto o Sol liberará em toda a sua vida de 10 bilhões de anos) e extremamente raro (alguns por galáxia por milhão de anos). Todos os GRBs observados se originaram de fora da Via Láctea , embora uma classe relacionada de fenômenos, repetidores de gama suave , estejam associados a magnetares dentro da Via Láctea. Foi levantada a hipótese de que uma explosão de raios gama na Via Láctea , apontando diretamente para a Terra, poderia causar um evento de extinção em massa . Alguns pesquisadores supuseram que a extinção em massa do Ordoviciano tardio ocorreu como resultado de tal explosão de raios gama.

Os GRBs foram detectados pela primeira vez em 1967 pelos satélites Vela , que foram projetados para detectar testes secretos de armas nucleares ; após análise minuciosa, foi publicado em 1973. Após sua descoberta, centenas de modelos teóricos foram propostos para explicar essas explosões, como colisões entre cometas e estrelas de nêutrons . Pouca informação estava disponível para verificar esses modelos até a detecção de 1997 dos primeiros raios-X e brilhos ópticos e medição direta de seus desvios para o vermelho usando espectroscopia óptica e, portanto, suas distâncias e saídas de energia. Essas descobertas e estudos subsequentes das galáxias e supernovas associadas às explosões esclareceram a distância e a luminosidade dos GRBs, colocando-os definitivamente em galáxias distantes.

História

Posições no céu de todas as rajadas de raios gama detectadas durante a missão BATSE. A distribuição é isotrópica , sem concentração em direção ao plano da Via Láctea, que corre horizontalmente pelo centro da imagem.

Explosões de raios gama foram observadas pela primeira vez no final da década de 1960 pelos satélites norte-americanos Vela , que foram construídos para detectar pulsos de radiação gama emitidos por armas nucleares testadas no espaço. Os Estados Unidos suspeitaram que a União Soviética poderia tentar realizar testes nucleares secretos após a assinatura do Tratado de Proibição de Testes Nucleares em 1963. Em 2 de julho de 1967, às 14h19 UTC , os satélites Vela 4 e Vela 3 detectaram um flash de radiação gama diferente de qualquer assinatura de armas nucleares conhecida. Sem saber o que havia acontecido, mas sem considerar o assunto particularmente urgente, a equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos , liderada por Ray Klebesadel , arquivou os dados para investigação. À medida que satélites Vela adicionais foram lançados com instrumentos melhores, a equipe de Los Alamos continuou a encontrar rajadas inexplicáveis ​​de raios gama em seus dados. Ao analisar os diferentes horários de chegada das rajadas detectadas por diferentes satélites, a equipe foi capaz de determinar estimativas aproximadas para as posições do céu de 16 rajadas e descartar definitivamente uma origem terrestre ou solar. Ao contrário da crença popular, os dados nunca foram classificados. Após uma análise minuciosa, as descobertas foram publicadas em 1973 como um artigo do Astrophysical Journal intitulado "Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin".

A maioria das primeiras teorias de explosões de raios gama postulou fontes próximas dentro da Via Láctea . A partir de 1991, o Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) e seu instrumento Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ), um detector de raios gama extremamente sensível, forneceu dados que mostraram que a distribuição de GRBs é isotrópica  - não tendenciosa para qualquer direção específica no espaço . Se as fontes fossem de dentro de nossa própria galáxia, elas estariam fortemente concentradas no plano galáctico ou próximo a ele. A ausência de tal padrão no caso dos GRBs forneceu fortes evidências de que as explosões de raios gama devem vir de fora da Via Láctea. No entanto, alguns modelos da Via Láctea ainda são consistentes com uma distribuição isotrópica.

Objetos equivalentes como fontes candidatas

Durante décadas após a descoberta de GRBs, os astrônomos procuraram por uma contraparte em outros comprimentos de onda: ou seja, qualquer objeto astronômico em coincidência posicional com uma explosão observada recentemente. Os astrônomos consideraram muitas classes distintas de objetos, incluindo anãs brancas , pulsares , supernovas , aglomerados globulares , quasares , galáxias Seyfert e objetos BL Lac . Todas essas buscas foram infrutíferas e, em alguns casos, rajadas particularmente bem localizadas (aquelas cujas posições foram determinadas com o que era então um alto grau de precisão) puderam ser claramente mostradas como não tendo objetos brilhantes de qualquer natureza consistente com a posição derivada de os satélites de detecção. Isso sugeriu uma origem de estrelas muito fracas ou galáxias extremamente distantes. Mesmo as posições mais precisas continham numerosas estrelas e galáxias fracas, e era amplamente aceito que a resolução final das origens das explosões cósmicas de raios gama exigiria novos satélites e comunicação mais rápida.

Resplendor

O satélite ítalo-holandês BeppoSAX , lançado em abril de 1996, forneceu as primeiras posições precisas de rajadas de raios gama, permitindo observações de acompanhamento e identificação das fontes.

Vários modelos para a origem das explosões de raios gama postularam que a explosão inicial de raios gama deveria ser seguida por um pós-brilho : emissão de desvanecimento lento em comprimentos de onda mais longos criados por colisões entre o material ejetado da explosão e o gás interestelar. As primeiras pesquisas por esse arrebol não tiveram sucesso, principalmente porque é difícil observar a posição de uma rajada em comprimentos de onda mais longos imediatamente após a rajada inicial. A descoberta ocorreu em fevereiro de 1997, quando o satélite BeppoSAX detectou uma explosão de raios gama ( GRB 970228 ) e quando a câmera de raios X foi apontada para a direção de origem da explosão, detectou uma emissão de raios X desvanecida. O Telescópio William Herschel identificou uma contraparte óptica desbotada 20 horas após a explosão. Depois que o GRB desapareceu, a imagem profunda foi capaz de identificar uma galáxia hospedeira distante e fraca no local do GRB, conforme identificado pelo brilho óptico posterior.

Por causa da luminosidade muito fraca desta galáxia, sua distância exata não foi medida por vários anos. Bem depois disso, outro grande avanço ocorreu com o próximo evento registrado pela BeppoSAX, GRB 970508 . Este evento foi localizado quatro horas após sua descoberta, permitindo que as equipes de pesquisa começassem a fazer observações muito mais cedo do que qualquer explosão anterior. O espectro do objeto revelou um desvio para o vermelho de z  = 0,835, colocando a explosão a uma distância de aproximadamente 6 bilhões  de anos-luz da Terra. Esta foi a primeira determinação precisa da distância para um GRB e, juntamente com a descoberta da galáxia hospedeira de 970228, provou que os GRBs ocorrem em galáxias extremamente distantes. Em poucos meses, a controvérsia sobre a escala de distância acabou: GRBs eram eventos extragalácticos originados em galáxias fracas a enormes distâncias. No ano seguinte, GRB 980425 foi seguido em um dia por uma supernova brilhante ( SN 1998bw ), coincidente em localização, indicando uma clara conexão entre GRBs e a morte de estrelas muito massivas. Essa explosão forneceu a primeira pista forte sobre a natureza dos sistemas que produzem GRBs.

Instrumentos mais recentes

A espaçonave Swift da NASA foi lançada em novembro de 2004

BeppoSAX funcionou até 2002 e CGRO (com BATSE) saiu de órbita em 2000. No entanto, a revolução no estudo de rajadas de raios gama motivou o desenvolvimento de uma série de instrumentos adicionais projetados especificamente para explorar a natureza dos GRBs, especialmente nos primeiros momentos após a explosão. A primeira dessas missões, HETE-2 , foi lançada em 2000 e funcionou até 2006, fornecendo a maioria das principais descobertas durante esse período. Uma das missões espaciais de maior sucesso até hoje, Swift , foi lançada em 2004 e em janeiro de 2023 ainda está operacional. O Swift está equipado com um detector de raios gama muito sensível, bem como telescópios óticos e de raios X a bordo, que podem ser girados rápida e automaticamente para observar a emissão de pós-luminescência após uma explosão. Mais recentemente, a missão Fermi foi lançada levando o Gamma-Ray Burst Monitor , que detecta rajadas a uma taxa de várias centenas por ano, algumas das quais são brilhantes o suficiente para serem observadas em energias extremamente altas com o Telescópio de Área Grande de Fermi . Enquanto isso, no solo, vários telescópios ópticos foram construídos ou modificados para incorporar um software de controle robótico que responde imediatamente aos sinais enviados pela Rede de Coordenadas de Explosão de Raios Gama . Isso permite que os telescópios redirecionem rapidamente para um GRB, muitas vezes segundos após o recebimento do sinal e enquanto a própria emissão de raios gama ainda está em andamento.

Novos desenvolvimentos desde a década de 2000 incluem o reconhecimento de rajadas curtas de raios gama como uma classe separada (provavelmente da fusão de estrelas de nêutrons e não associadas a supernovas), a descoberta de atividade errática e estendida de queima em comprimentos de onda de raios X com duração de muitos minutos após a maioria GRBs e a descoberta dos objetos mais luminosos ( GRB 080319B ) e os antigos mais distantes ( GRB 090423 ) do universo. O GRB conhecido mais distante, GRB 090429B , é agora o objeto conhecido mais distante do universo.

Em outubro de 2018, astrônomos relataram que GRB 150101B (detectado em 2015) e GW170817 , um evento de onda gravitacional detectado em 2017 (que foi associado a GRB170817A, uma explosão detectada 1,7 segundos depois), podem ter sido produzidos pelo mesmo mecanismo – o fusão de duas estrelas de nêutrons . As semelhanças entre os dois eventos, em termos de emissões de raios gama , ópticos e de raios-x , bem como a natureza das galáxias hospedeiras associadas , são "impressionantes", sugerindo que os dois eventos separados podem ser o resultado do fusão de estrelas de nêutrons, e ambas podem ser uma kilonova , que pode ser mais comum no universo do que se pensava anteriormente, de acordo com os pesquisadores.

A luz de energia mais alta observada em uma explosão de raios gama foi um teraelétronvolt , de GRB 190114C em 2019. (Observe, isso é cerca de mil vezes menos energia do que a luz de energia mais alta observada de qualquer fonte, que é de 1,4 petaeletronvolts no ano 2021.)

Classificação

Curvas de luz de explosão de raios gama

As curvas de luz das explosões de raios gama são extremamente diversas e complexas. Não há duas curvas de luz de explosão de raios gama idênticas, com grande variação observada em quase todas as propriedades: a duração da emissão observável pode variar de milissegundos a dezenas de minutos, pode haver um único pico ou vários subpulsos individuais, e picos individuais podem ser simétricas ou com clareamento rápido e desbotamento muito lento. Algumas rajadas são precedidas por um evento " precursor ", uma rajada fraca que é então seguida (após segundos a minutos sem nenhuma emissão) pelo episódio de rajada "verdadeiro" muito mais intenso. As curvas de luz de alguns eventos têm perfis extremamente caóticos e complicados, quase sem padrões discerníveis.

Embora algumas curvas de luz possam ser reproduzidas grosseiramente usando certos modelos simplificados, pouco progresso foi feito na compreensão de toda a diversidade observada. Muitos esquemas de classificação foram propostos, mas geralmente são baseados apenas nas diferenças na aparência das curvas de luz e nem sempre refletem uma verdadeira diferença física nos progenitores das explosões. No entanto, gráficos da distribuição da duração observada para um grande número de rajadas de raios gama mostram uma clara bimodalidade , sugerindo a existência de duas populações separadas: uma população "curta" com duração média de cerca de 0,3 segundos e uma "longa" população com uma duração média de cerca de 30 segundos. Ambas as distribuições são muito amplas com uma região de sobreposição significativa na qual a identidade de um determinado evento não é clara apenas pela duração. Aulas adicionais além desse sistema de dois níveis foram propostas em bases observacionais e teóricas.

Explosões curtas de raios gama

O Telescópio Espacial Hubble captura o brilho infravermelho de uma explosão de kilonova .

Eventos com duração inferior a cerca de dois segundos são classificados como rajadas curtas de raios gama. Estes representam cerca de 30% das explosões de raios gama, mas até 2005, nenhum brilho residual havia sido detectado com sucesso em qualquer evento curto e pouco se sabia sobre suas origens. Desde então, várias dezenas de brilhos residuais de rajadas de raios gama foram detectados e localizados, vários dos quais estão associados a regiões de pouca ou nenhuma formação estelar, como grandes galáxias elípticas . Isso exclui uma ligação com estrelas massivas, confirmando que eventos curtos são fisicamente distintos de eventos longos. Além disso, não houve associação com supernovas.

A verdadeira natureza desses objetos era inicialmente desconhecida, e a principal hipótese era que eles se originaram da fusão de estrelas binárias de nêutrons ou de uma estrela de nêutrons com um buraco negro . Tais fusões foram teorizadas para produzir kilonovae , e evidências de uma kilonova associada ao GRB 130603B foram vistas. A duração média desses eventos de 0,2 segundos sugere (por causa da causalidade ) uma fonte de diâmetro físico muito pequeno em termos estelares; menos de 0,2 segundos-luz (cerca de 60.000 km ou 37.000 milhas – quatro vezes o diâmetro da Terra). A observação de minutos a horas de flashes de raios-X após uma curta explosão de raios gama é consistente com pequenas partículas de um objeto primário como uma estrela de nêutrons inicialmente engolida por um buraco negro em menos de dois segundos, seguido por algumas horas de menor energia eventos, como fragmentos remanescentes de material de estrela de nêutrons interrompidos pela maré (não mais neutrônio ) permanecem em órbita para espiralar no buraco negro, durante um longo período de tempo. Uma pequena fração de rajadas curtas de raios gama é provavelmente produzida por explosões gigantes de repetidores gama suaves em galáxias próximas.

A origem dos GRBs curtos em quilonovas foi confirmada quando o GRB 170817A curto foi detectado apenas 1,7 s após a detecção da onda gravitacional GW170817 , que foi um sinal da fusão de duas estrelas de nêutrons.

Explosões de raios gama longas

O Swift capturou o brilho residual do GRB 221009A cerca de uma hora depois de ter sido detectado pela primeira vez. Os anéis brilhantes se formam como resultado de raios-X espalhados de camadas de poeira não observáveis ​​dentro de nossa galáxia que se encontram na direção da explosão.

A maioria dos eventos observados (70%) tem duração superior a dois segundos e são classificados como rajadas de raios gama longos. Como esses eventos constituem a maioria da população e tendem a ter os brilhos posteriores mais brilhantes, eles foram observados com muito mais detalhes do que suas contrapartes curtas. Quase todas as explosões de raios gama bem estudadas foram associadas a uma galáxia com rápida formação estelar e, em muitos casos, também a uma supernova de colapso do núcleo , associando inequivocamente longas GRBs com a morte de estrelas massivas. Longas observações de brilho residual de GRB, com alto desvio para o vermelho, também são consistentes com o fato de o GRB ter se originado em regiões de formação estelar. Em dezembro de 2022, os astrônomos relataram a primeira evidência de um longo GRB produzido por uma fusão de estrelas de nêutrons .

Explosões ultralongas de raios gama

Esses eventos estão no final da distribuição de longa duração do GRB, durando mais de 10.000 segundos. Eles foram propostos para formar uma classe separada, causada pelo colapso de uma estrela supergigante azul , um evento de ruptura de maré ou um magnetar recém-nascido . Apenas um pequeno número foi identificado até o momento, sendo sua principal característica a duração da emissão de raios gama. Os eventos ultralongos mais estudados incluem GRB 101225A e GRB 111209A . A baixa taxa de detecção pode ser resultado da baixa sensibilidade dos detectores de corrente a eventos de longa duração, ao invés de um reflexo de sua verdadeira frequência. Um estudo de 2013, por outro lado, mostra que a evidência existente para uma população GRB ultra-longa separada com um novo tipo de progenitor é inconclusiva, e mais observações de múltiplos comprimentos de onda são necessárias para tirar uma conclusão mais firme.

Energética e irradiação

Ilustração artística de uma explosão brilhante de raios gama ocorrendo em uma região de formação estelar. A energia da explosão é irradiada em dois jatos estreitos e com direções opostas.

Explosões de raios gama são muito brilhantes quando observadas da Terra, apesar de suas distâncias tipicamente imensas. Um GRB de comprimento médio tem um fluxo bolométrico comparável a uma estrela brilhante de nossa galáxia, apesar de uma distância de bilhões de anos-luz (em comparação com algumas dezenas de anos-luz para a maioria das estrelas visíveis). A maior parte dessa energia é liberada em raios gama, embora alguns GRBs também tenham contrapartes ópticas extremamente luminosas. GRB 080319B , por exemplo, foi acompanhada por uma contraparte óptica que atingiu uma magnitude visível de 5,8, comparável à das estrelas mais escuras vistas a olho nu, apesar da distância da explosão de 7,5 bilhões de anos-luz. Esta combinação de brilho e distância implica uma fonte extremamente energética. Assumindo que a explosão de raios gama seja esférica, a saída de energia de GRB 080319B estaria dentro de um fator de dois da energia de massa do Sol (a energia que seria liberada se o Sol fosse totalmente convertido em radiação).

Explosões de raios gama são consideradas explosões altamente focadas, com a maior parte da energia da explosão colimada em um jato estreito . A largura angular aproximada do jato (ou seja, o grau de propagação do feixe) pode ser estimada diretamente observando as "quebras de jato" acromáticas nas curvas de luz residual: um tempo após o qual o brilho residual lentamente decaindo começa a desaparecer rapidamente conforme o jato diminui e não pode mais transmitir sua radiação de forma tão eficaz. As observações sugerem uma variação significativa no ângulo do jato entre 2 e 20 graus.

Como sua energia é fortemente focada, espera-se que os raios gama emitidos pela maioria das rajadas errem a Terra e nunca sejam detectados. Quando uma explosão de raios gama é apontada para a Terra, o foco de sua energia ao longo de um feixe relativamente estreito faz com que a explosão pareça muito mais brilhante do que seria se sua energia fosse emitida esfericamente. Quando esse efeito é levado em consideração, observa-se que explosões típicas de raios gama têm uma liberação de energia real de cerca de 10 44  J, ou cerca de 1/2.000 de uma massa solar ( M ) equivalente de energia - que ainda é muitas vezes a massa -equivalente de energia da Terra (cerca de 5,5 × 10 41  J). Isso é comparável à energia liberada em uma supernova brilhante do tipo Ib/c e dentro da faixa dos modelos teóricos. Supernovas muito brilhantes foram observadas acompanhando vários dos GRBs mais próximos. Suporte adicional para focalizar a saída de GRBs veio de observações de fortes assimetrias nos espectros de supernovas do tipo Ic próximas e de observações de rádio feitas muito depois de rajadas quando seus jatos não são mais relativísticos.

GRBs curtos (duração de tempo) parecem vir de uma população de redshift mais baixo (ou seja, menos distante) e são menos luminosos do que GRBs longos. O grau de irradiação em rajadas curtas não foi medido com precisão, mas como uma população eles provavelmente são menos colimados do que GRBs longos ou possivelmente não colimados em alguns casos.

progenitores

Imagem do Telescópio Espacial Hubble da estrela Wolf-Rayet WR 124 e sua nebulosa circundante. Estrelas Wolf-Rayet são candidatas a serem progenitoras de GRBs de longa duração.

Devido às imensas distâncias da maioria das fontes de explosão de raios gama da Terra, a identificação dos progenitores, os sistemas que produzem essas explosões, é um desafio. A associação de alguns GRBs longos com supernovas e o fato de que suas galáxias hospedeiras estão se formando rapidamente oferecem evidências muito fortes de que longas explosões de raios gama estão associadas a estrelas massivas. O mecanismo mais amplamente aceito para a origem de GRBs de longa duração é o modelo colapsar , no qual o núcleo de uma estrela extremamente massiva, de baixa metalicidade e rotação rápida colapsa em um buraco negro nos estágios finais de sua evolução . A matéria perto do núcleo da estrela cai em direção ao centro e gira em um disco de acreção de alta densidade . A queda desse material em um buraco negro impulsiona um par de jatos relativísticos ao longo do eixo rotacional, que atravessam o envelope estelar e eventualmente rompem a superfície estelar e irradiam como raios gama. Alguns modelos alternativos substituem o buraco negro por um magnetar recém-formado , embora a maioria dos outros aspectos do modelo (o colapso do núcleo de uma estrela massiva e a formação de jatos relativísticos) sejam os mesmos.

Os análogos mais próximos dentro da Via Láctea das estrelas que produzem longas rajadas de raios gama são provavelmente as estrelas Wolf-Rayet , estrelas extremamente quentes e massivas, que perderam a maior parte ou todo o seu envelope de hidrogênio. Eta Carinae , Apep e WR 104 foram citados como possíveis futuros progenitores de rajadas de raios gama. Não está claro se alguma estrela na Via Láctea tem as características apropriadas para produzir uma explosão de raios gama.

O modelo de estrela massiva provavelmente não explica todos os tipos de explosão de raios gama. Há fortes evidências de que algumas explosões de raios gama de curta duração ocorrem em sistemas sem formação estelar e sem estrelas massivas, como galáxias elípticas e halos galácticos . A teoria preferida para a origem da maioria das explosões curtas de raios gama é a fusão de um sistema binário que consiste em duas estrelas de nêutrons. De acordo com este modelo, as duas estrelas em um binário espiralam lentamente uma em direção à outra porque a radiação gravitacional libera energia até que as forças de maré repentinamente separam as estrelas de nêutrons e elas colapsam em um único buraco negro. A entrada de matéria no novo buraco negro produz um disco de acreção e libera uma explosão de energia, análoga ao modelo do colapsar. Numerosos outros modelos também foram propostos para explicar explosões curtas de raios gama, incluindo a fusão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro, o colapso induzido por acreção de uma estrela de nêutrons ou a evaporação de buracos negros primordiais .

Uma explicação alternativa proposta por Friedwardt Winterberg é que no curso de um colapso gravitacional e ao atingir o horizonte de eventos de um buraco negro, toda a matéria se desintegra em uma explosão de radiação gama.

Eventos de perturbação das marés

Esta nova classe de eventos do tipo GRB foi descoberta pela primeira vez através da detecção de GRB 110328A pela Swift Gamma-Ray Burst Mission em 28 de março de 2011. Este evento teve uma duração de raios gama de cerca de 2 dias, muito mais do que até ultralongos. GRBs, e foi detectado em raios-X por muitos meses. Ocorreu no centro de uma pequena galáxia elíptica em redshift z = 0,3534. Há um debate em andamento sobre se a explosão foi o resultado de um colapso estelar ou um evento de ruptura de maré acompanhado por um jato relativístico, embora a última explicação tenha se tornado amplamente aceita.

Um evento de ruptura de maré desse tipo ocorre quando uma estrela interage com um buraco negro supermassivo , destruindo a estrela e, em alguns casos, criando um jato relativístico que produz uma emissão brilhante de radiação de raios gama. O evento GRB 110328A (também denominado Swift J1644+57) foi inicialmente considerado como sendo produzido pela ruptura de uma estrela da sequência principal por um buraco negro de vários milhões de vezes a massa do Sol, embora posteriormente tenha sido argumentado que a ruptura de uma anã branca por um buraco negro de massa cerca de 10 mil vezes o Sol pode ser mais provável.

Mecanismos de emissão

Mecanismo de explosão de raios gama

Os meios pelos quais as explosões de raios gama convertem energia em radiação permanecem pouco compreendidos e, em 2010, ainda não havia um modelo geralmente aceito de como esse processo ocorre. Qualquer modelo bem-sucedido de emissão de GRB deve explicar o processo físico para geração de emissão de raios gama que corresponda à diversidade observada de curvas de luz, espectros e outras características. Particularmente desafiadora é a necessidade de explicar as altas eficiências inferidas de algumas explosões: algumas explosões de raios gama podem converter até metade (ou mais) da energia da explosão em raios gama. As primeiras observações das contrapartes ópticas brilhantes de GRB 990123 e GRB 080319B , cujas curvas de luz óptica eram extrapolações dos espectros de luz de raios gama, sugeriram que o espalhamento Compton inverso pode ser o processo dominante em alguns eventos. Neste modelo, fótons pré-existentes de baixa energia são espalhados por elétrons relativísticos dentro da explosão, aumentando sua energia por um grande fator e transformando-os em raios gama.

A natureza da emissão de pós-luminescência de comprimento de onda mais longo (variando de raios X a rádio ) que segue rajadas de raios gama é melhor compreendida. Qualquer energia liberada pela explosão não irradiada na própria explosão assume a forma de matéria ou energia se movendo para fora quase à velocidade da luz. À medida que esta matéria colide com o gás interestelar circundante , cria uma onda de choque relativística que se propaga para o espaço interestelar. Uma segunda onda de choque, o choque reverso, pode se propagar de volta para o material ejetado. Elétrons extremamente energéticos dentro da onda de choque são acelerados por fortes campos magnéticos locais e irradiam como emissão síncrotron na maior parte do espectro eletromagnético . Este modelo geralmente tem sido bem-sucedido em modelar o comportamento de muitos brilhos residuais observados em tempos tardios (geralmente, horas a dias após a explosão), embora haja dificuldades para explicar todas as características do brilho residual logo após a ocorrência da explosão de raios gama.

Taxa de ocorrência e efeitos potenciais na vida

Em 27 de outubro de 2015, às 22:40 GMT, o satélite NASA/ASI/UKSA Swift descobriu sua milésima explosão de raios gama (GRB).

Explosões de raios gama podem ter efeitos nocivos ou destrutivos sobre a vida. Considerando o universo como um todo, os ambientes mais seguros para a vida semelhante à da Terra são as regiões de menor densidade na periferia de grandes galáxias. Nosso conhecimento dos tipos de galáxias e sua distribuição sugere que a vida como a conhecemos só pode existir em cerca de 10% de todas as galáxias. Além disso, as galáxias com redshift, z , superior a 0,5 são inadequadas para a vida como a conhecemos, por causa de sua maior taxa de GRBs e sua compactação estelar.

Todos os GRBs observados até agora ocorreram bem fora da Via Láctea e foram inofensivos para a Terra. No entanto, se um GRB ocorresse dentro da Via Láctea dentro de 5.000 a 8.000 anos-luz e sua emissão fosse transmitida diretamente para a Terra, os efeitos poderiam ser prejudiciais e potencialmente devastadores para seus ecossistemas . Atualmente, os satélites em órbita detectam em média aproximadamente um GRB por dia. O GRB observado mais próximo em março de 2014 foi o GRB 980425 , localizado a 40 megaparsecs (130.000.000 ly) de distância ( z = 0,0085) em uma galáxia anã do tipo SBc. GRB 980425 era muito menos energético do que o GRB médio e estava associado à supernova Tipo Ib SN 1998bw .

Estimar a taxa exata em que os GRBs ocorrem é difícil; para uma galáxia de aproximadamente o mesmo tamanho da Via Láctea , as estimativas da taxa esperada (para GRBs de longa duração) podem variar de uma rajada a cada 10.000 anos a uma rajada a cada 1.000.000 de anos. Apenas uma pequena porcentagem deles seria transmitida para a Terra. As estimativas da taxa de ocorrência de GRBs de curta duração são ainda mais incertas devido ao grau desconhecido de colimação, mas provavelmente são comparáveis.

Como se pensa que os GRBs envolvem emissão de feixes ao longo de dois jatos em direções opostas, apenas os planetas no caminho desses jatos estariam sujeitos à radiação gama de alta energia.

Embora os GRBs próximos que atingem a Terra com uma chuva destrutiva de raios gama sejam apenas eventos hipotéticos, observou-se que processos de alta energia em toda a galáxia afetam a atmosfera da Terra.

Efeitos na Terra

A atmosfera da Terra é muito eficaz na absorção de radiação eletromagnética de alta energia, como raios-x e raios gama, portanto, esses tipos de radiação não atingiriam níveis perigosos na superfície durante o próprio evento de explosão. O efeito imediato na vida na Terra de um GRB dentro de alguns parsecs de quilo seria apenas um pequeno aumento na radiação ultravioleta no nível do solo, durando de menos de um segundo a dezenas de segundos. Essa radiação ultravioleta pode potencialmente atingir níveis perigosos, dependendo da natureza exata e da distância da explosão, mas parece improvável que seja capaz de causar uma catástrofe global para a vida na Terra.

Os efeitos de longo prazo de uma explosão próxima são mais perigosos. Os raios gama causam reações químicas na atmosfera envolvendo moléculas de oxigênio e nitrogênio , criando primeiro o óxido de nitrogênio e depois o gás dióxido de nitrogênio . Os óxidos de nitrogênio causam efeitos perigosos em três níveis. Primeiro, eles esgotam o ozônio , com modelos mostrando uma possível redução global de 25 a 35%, chegando a 75% em determinados locais, um efeito que duraria anos. Essa redução é suficiente para causar um índice de UV perigosamente elevado na superfície. Em segundo lugar, os óxidos de nitrogênio causam poluição fotoquímica , que escurece o céu e bloqueia partes do espectro da luz solar . Isso afetaria a fotossíntese , mas os modelos mostram apenas cerca de 1% de redução do espectro total da luz solar, durando alguns anos. No entanto, o smog poderia potencialmente causar um efeito de resfriamento no clima da Terra, produzindo um "inverno cósmico" (semelhante a um inverno de impacto , mas sem impacto), mas apenas se ocorrer simultaneamente com uma instabilidade climática global. Em terceiro lugar, os níveis elevados de dióxido de nitrogênio na atmosfera seriam lavados e produziriam chuva ácida . O ácido nítrico é tóxico para uma variedade de organismos, incluindo a vida dos anfíbios, mas os modelos preveem que não atingiria níveis que causariam um sério efeito global. Os nitratos podem, de fato, ser benéficos para algumas plantas.

Em suma, um GRB dentro de alguns quiloparsecs, com sua energia direcionada para a Terra, danificará principalmente a vida ao aumentar os níveis de UV durante a própria explosão e por alguns anos depois. Modelos mostram que os efeitos destrutivos desse aumento podem causar até 16 vezes os níveis normais de dano ao DNA. Tem sido difícil fazer uma avaliação confiável das consequências disso no ecossistema terrestre, devido à incerteza nos dados biológicos de campo e de laboratório.

Efeitos hipotéticos na Terra no passado

Há uma chance muito boa (mas nenhuma certeza) de que pelo menos um GRB letal tenha ocorrido durante os últimos 5 bilhões de anos perto o suficiente da Terra para causar danos significativos à vida. Há 50% de chance de que um GRB tão letal tenha ocorrido a dois kiloparsecs da Terra durante os últimos 500 milhões de anos, causando um dos maiores eventos de extinção em massa.

O principal evento de extinção Ordoviciano-Siluriano 450 milhões de anos atrás pode ter sido causado por um GRB. As estimativas sugerem que aproximadamente 20-60% da biomassa total de fitoplâncton nos oceanos Ordoviciano teria perecido em um GRB, porque os oceanos eram em sua maioria oligotróficos e claros. As espécies de trilobitas do Ordoviciano tardio , que passaram parte de suas vidas na camada de plâncton perto da superfície do oceano, foram muito mais atingidas do que os habitantes de águas profundas, que tendiam a permanecer em áreas bastante restritas. Isso contrasta com o padrão usual de eventos de extinção, em que espécies com populações mais amplamente distribuídas geralmente se saem melhor. Uma possível explicação é que os trilobites que permanecem em águas profundas estariam mais protegidos do aumento da radiação UV associada a um GRB. Também apoia esta hipótese o fato de que durante o final do Ordoviciano, as espécies de bivalves escavadores eram menos prováveis ​​de serem extintas do que os bivalves que viviam na superfície.

Foi argumentado que o pico de carbono 14 774-775 foi o resultado de um curto GRB, embora uma explosão solar muito forte seja outra possibilidade.

Candidatos GRB na Via Láctea

Ilustração de uma explosão curta de raios gama causada por uma estrela em colapso.

Nenhuma explosão de raios gama de dentro de nossa própria galáxia, a Via Láctea , foi observada, e a questão de saber se alguma vez ocorreu permanece sem solução. À luz da evolução da compreensão das explosões de raios gama e seus progenitores, a literatura científica registra um número crescente de candidatos GRB locais, passados ​​e futuros. GRBs de longa duração estão relacionados a supernovas superluminosas, ou hipernovas, e acredita-se que a maioria das variáveis ​​azuis luminosas (LBVs) e estrelas Wolf-Rayet de rotação rápida terminem seus ciclos de vida em supernovas de colapso de núcleo com um GRB de longa duração associado. O conhecimento de GRBs, no entanto, é de galáxias pobres em metais de épocas anteriores da evolução do universo , e é impossível extrapolar diretamente para abranger galáxias mais evoluídas e ambientes estelares com maior metalicidade , como a Via Láctea.

Veja também

Notas

  1. Uma exceção notável é o evento de 5 de março de 1979, uma explosão extremamente brilhante que foi localizada com sucesso no remanescente de supernova N49 na Grande Nuvem de Magalhães . Este evento agora é interpretado como uma explosão gigante de magnetar , mais relacionada aexplosões SGR do que a explosões de raios gama "verdadeiras".
  2. Os GRBs recebem o nome da data em que são descobertos: os dois primeiros dígitos são o ano, seguidos pelos dois dígitos do mês e dois dígitos do dia e uma letra com a ordem em que foram detectados naquele dia. A letra 'A' é anexada ao nome do primeiro burst identificado, 'B' ao segundo e assim por diante. Para rajadas anteriores ao ano de 2010, esta letra só foi anexada se mais de uma rajada ocorreu naquele dia.
  3. ^ A duração de uma rajada é normalmente medida por T90, a duração do período em que 90% da energia da rajada é emitida. Recentemente, foi demonstrado que alguns GRBs "curtos" são seguidos por um segundo episódio de emissão muito mais longo que, quando incluído na curva de explosão de luz, resulta em durações T90 de até vários minutos: esses eventos são curtos apenas no sentido literal quando este componente é excluído.

Citações

Referências

Leitura adicional

links externos

locais de missão GRB
Programas de acompanhamento GRB