História da pesquisa de explosão de raios gama - History of gamma-ray burst research

A história dos raios gama começou com a detecção acidental de uma explosão de raios gama (GRB) em 2 de julho de 1967 pelos satélites US Vela . Depois que esses satélites detectaram quinze outros GRBs, Ray Klebesadel do Laboratório Nacional de Los Alamos publicou o primeiro artigo sobre o assunto, Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin . À medida que mais e mais pesquisas eram feitas sobre esses eventos misteriosos, centenas de modelos foram desenvolvidos na tentativa de explicar suas origens.

Descoberta

Explosões de raios gama foram descobertas no final dos anos 1960 pelos satélites de detecção de teste nuclear US Vela . Os Velas foram construídos para detectar pulsos de radiação gama emitidos por testes de armas nucleares no espaço. Os Estados Unidos suspeitaram que a URSS poderia tentar conduzir testes nucleares secretos após a assinatura do Tratado de Proibição de Testes Nucleares em 1963. Enquanto a maioria dos satélites orbitava a cerca de 500 milhas acima da superfície da Terra, os satélites Vela orbitavam a uma altitude de 65.000 milhas. Nesta altura, os satélites orbitavam acima do cinturão de radiação de Van Allen , o que reduzia o ruído nos sensores. A altura extra também significava que os satélites podiam detectar explosões atrás da lua , um local onde o governo dos Estados Unidos suspeitava que a União Soviética tentaria ocultar testes de armas nucleares. O sistema Vela geralmente tinha quatro satélites operacionais a qualquer momento, de modo que um sinal de raios gama podia ser detectado em vários locais. Isso tornou possível localizar a fonte do sinal em uma região relativamente compacta do espaço. Embora essas características tenham sido incorporadas ao sistema Vela para melhorar a detecção de armas nucleares, foram essas mesmas características que tornaram os satélites capazes de detectar rajadas de raios gama.

Em 2 de julho de 1967, às 14:19 UTC , os satélites Vela 4 e Vela 3 detectaram um flash de radiação gama diferente de todas as assinaturas de armas nucleares conhecidas. As bombas nucleares produzem uma explosão muito breve e intensa de raios gama de menos de um milionésimo de segundo. A radiação então diminui gradativamente conforme os núcleos instáveis ​​se decompõem . O sinal detectado pelos satélites Vela não tinha o flash inicial intenso nem o desbotamento gradual, mas em vez disso havia dois picos distintos na curva de luz. As erupções solares e novas supernovas eram as duas outras explicações possíveis para o evento, mas nenhuma delas havia ocorrido naquele dia. Sem saber o que aconteceu, mas sem considerar o assunto particularmente urgente, a equipe do Laboratório Científico de Los Alamos , liderada por Ray Klebesadel , arquivou os dados para investigação posterior.

O Vela 5 foi lançado em 23 de maio de 1969. Como a sensibilidade e a resolução de tempo nesses satélites eram significativamente mais precisas do que nos instrumentos do Vela 4, a equipe de Los Alamos esperava que esses novos satélites detectassem mais explosões de raios gama. Apesar de uma enorme quantidade de sinais de fundo captados pelos novos detectores, a equipe de pesquisa encontrou doze eventos que não coincidiram com nenhuma erupção solar ou supernovas. Algumas das novas detecções também mostraram o mesmo padrão de pico duplo observado pelo Vela 4.

Embora sua instrumentação não oferecesse melhorias em relação aos do Vela 5, os satélites Vela 6 foram lançados em 8 de abril de 1970, com a intenção de determinar a direção de onde chegavam os raios gama. As órbitas para os satélites Vela 6 foram escolhidas para estar o mais longe possível do Vela 5, geralmente na ordem de 10.000 quilômetros de distância. Essa separação significava que, apesar dos raios gama viajarem à velocidade da luz , um sinal seria detectado em momentos ligeiramente diferentes por satélites diferentes. Ao analisar os tempos de chegada, Klebesadel e sua equipe rastrearam com sucesso dezesseis explosões de raios gama. A distribuição aleatória de explosões no céu deixou claro que as explosões não vinham do sol, da lua ou de outros planetas em nosso sistema solar .

Em 1973, Ray Klebesadel, Roy Olson e Ian Strong, do Laboratório Científico de Los Alamos, da University of California , publicaram Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin , identificando uma fonte cósmica para as observações inexplicadas de raios gama. Pouco depois, Klebesadel apresentou suas descobertas no 140º encontro da American Astronomical Society. Embora ele tenha sido entrevistado apenas pelo The National Enquirer , a notícia da descoberta se espalhou rapidamente pela comunidade científica. Entre 1973 e 2001, mais de 5300 artigos foram publicados em GRBs.

Primeiras missões de pesquisa

Logo após a descoberta de explosões de raios gama, um consenso geral surgiu dentro da comunidade astronômica de que, a fim de determinar o que as causou, elas teriam que ser identificadas com objetos astronômicos em outros comprimentos de onda, particularmente a luz visível, já que esta abordagem foi bem-sucedida. aplicado aos campos da astronomia de raios-X de rádio . Esse método exigiria posições muito mais precisas de várias explosões de raios gama do que o sistema Vela poderia fornecer. Maior precisão exigia que os detectores fossem mais espaçados. Em vez de lançar satélites apenas na órbita da Terra, foi considerado necessário espalhar os detectores por todo o sistema solar.

No final de 1978, a primeira Rede Interplanetária ( IPN ) foi concluída. Além dos satélites Vela, o IPN incluiu 5 novas sondas espaciais: a russa Prognoz 7 , em órbita ao redor da Terra, a alemã Helios 2 , em órbita elíptica ao redor do Sol, e a Pioneer Venus Orbiter da NASA , Venera 11 e Venera 12 , cada uma orbitando Vênus . A equipe de pesquisa do Instituto Russo de Pesquisa Espacial em Moscou, liderada por Kevin Hurley, foi capaz de usar os dados coletados pelo IPN para determinar com precisão a posição de rajadas de raios gama com uma precisão de alguns minutos de arco . Porém, mesmo usando os telescópios mais poderosos disponíveis, nada de interessante foi encontrado dentro das regiões determinadas.

Para explicar a existência de explosões de raios gama, muitas teorias especulativas foram avançadas, a maioria das quais postulou fontes galácticas próximas . Pouco progresso foi feito, no entanto, até o lançamento em 1991 do Compton Gamma Ray Observatory e seu instrumento Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ), um detector de raios gama extremamente sensível. Este instrumento forneceu dados cruciais indicando que GRBs são isotrópicos (não inclinados em direção a nenhuma direção particular no espaço, como em direção ao plano galáctico ou ao centro galáctico ). Como a Via Láctea tem uma estrutura muito plana, se as explosões de raios gama se originassem de dentro da Via Láctea, elas não seriam distribuídas isotropicamente pelo céu, mas sim concentradas no plano da Via Láctea. Embora a luminosidade das explosões sugerisse que deviam ser originários da Via Láctea, a distribuição forneceu fortes evidências em contrário.

Os dados do BATSE também mostraram que os GRBs se enquadram em duas categorias distintas: bursts de espectro rígido de curta duração ("bursts curtos") e bursts de espectro suave de longa duração ("bursts longos"). Os bursts curtos têm normalmente menos de dois segundos de duração e são dominados por fótons de alta energia ; rajadas longas têm normalmente mais de dois segundos de duração e são dominadas por fótons de baixa energia. A separação não é absoluta e as populações se sobrepõem observacionalmente, mas a distinção sugere duas classes diferentes de progenitores. No entanto, alguns acreditam que existe um terceiro tipo de GRBs. Os três tipos de GRBs são hipotetizados para refletir três origens diferentes: fusões de sistemas estelares de nêutrons, fusões entre anãs brancas e estrelas de nêutrons e o colapso de estrelas massivas.

Durante décadas após a descoberta dos GRBs, os astrônomos procuraram uma contraparte: qualquer objeto astronômico em coincidência posicional com uma explosão observada recentemente. Os astrônomos consideraram muitos objetos distintos, incluindo anãs brancas , pulsares , supernovas , aglomerados globulares , quasares , galáxias Seyfert e objetos BL Lac . Os pesquisadores procuraram especificamente por objetos com propriedades incomuns que podem estar relacionadas a explosões de raios gama: alto movimento adequado , polarização , modulação de brilho orbital, oscilação de escala de tempo rápida, cores extremas, linhas de emissão ou uma forma incomum. Desde a descoberta de GRBs até a década de 1980, GRB 790305b foi o único evento identificado com um objeto de origem candidato: a nebulosa N49 na Grande Nuvem de Magalhães . Todas as outras tentativas falharam devido à resolução insuficiente dos detectores disponíveis. A melhor esperança parecia estar em encontrar uma emissão de comprimento de onda mais fraca, fraca e mais longa após a explosão em si, o "resplendor" de um GRB.

Já em 1980, um grupo de pesquisa liderado por Livio Scarsi na Universidade de Roma começou a trabalhar no Satellite per Astronomia X , um satélite de pesquisa astronômica de raios-X. O projeto se desenvolveu em uma colaboração entre a Agência Espacial Italiana e a Agência Holandesa de Programas Aeroespaciais . Embora a intenção original do satélite fosse servir ao único propósito de estudar raios-X, Enrico Costa, do Istituto di Astrofisica Spaziale, sugeriu que os quatro escudos protetores do satélite poderiam facilmente servir como detectores de explosão de raios gama. Após 10 anos de atrasos e um custo final de aproximadamente $ 350 milhões, o satélite, renomeado BeppoSAX em homenagem a Giuseppe Occhialini , foi lançado em 30 de abril de 1996.

Em 1983, uma equipe composta por Stan Woosley , Don Lamb, Ed Fenimore , Kevin Hurley e George Ricker começou a discutir planos para um novo satélite de pesquisa GRB, o High Energy Transient Explorer ( HETE ). Embora muitos satélites já estivessem fornecendo dados sobre GRBs, o HETE seria o primeiro satélite inteiramente dedicado à pesquisa de GRBs. O objetivo era que o HETE pudesse localizar rajadas de raios gama com muito mais precisão do que os detectores BATSE. A equipe apresentou uma proposta à NASA em 1986 segundo a qual o satélite seria equipado com quatro detectores de raios gama, uma câmera de raios-X e quatro câmeras eletrônicas para detectar a luz visível e ultravioleta. O projeto deveria custar $ 14,5 milhões e o lançamento foi originalmente planejado para o verão de 1994. O foguete Pegasus XL , que lançou HETE em 4 de novembro de 1996, não lançou seus dois satélites, então o HETE e o SAC-B, um satélite de pesquisa argentino também a bordo, as missões foram anexadas ao reocket e incapaz de direcionar seus painéis solares para o sol, e dentro de um dia do lançamento, todo o contato de rádio com os satélites foi perdido. O eventual sucessor da missão, HETE 2, foi lançado com sucesso em 9 de outubro de 2000. Observou seu primeiro GRB em 13 de fevereiro de 2001.

Observações e análises

BeppoSAX detectou sua primeira explosão de raios gama GRB960720 em 20 de julho de 1996 a partir de uma explosão de raios-X em uma das duas câmeras de campo amplo (WFCs), mas ela só foi descoberta nos dados seis semanas depois, por um cientista holandês sistematicamente verificar rajadas WFC coincidindo no tempo com gatilhos BATSE da mesma direção. As observações de rádio de acompanhamento com o Very Large Array de Dale Frail não encontraram um brilho residual na posição derivada dos dados desconvolvidos, mas um procedimento de rotina para encontrar rajadas de raios gama com BeppoSAX pôde ser estabelecido. Isso levou à detecção de uma explosão de raios gama em 11 de janeiro de 1997, e uma de suas câmeras de campo amplo também detectou raios X no mesmo momento, coincidindo com um gatilho BATSE. John Heise , cientista do projeto holandês para os WFCs da BeppoSAX, deconvolveu rapidamente os dados dos WFCs usando o software de Jean in 't Zand , um ex-espectroscopista de raios gama holandês do Goddard Space Flight Center e, em menos de 24 horas, produziu um céu posição com uma precisão de cerca de 10 minutos de arco. Embora esse nível de precisão já tivesse sido ultrapassado pelas redes interplanetárias, elas foram incapazes de produzir os dados tão rapidamente quanto Heise podia. Nos dias seguintes, Dale Frail, trabalhando com o Very Large Array, detectou uma única fonte de rádio enfraquecida dentro da caixa de erro, um objeto BL Lac . Um artigo foi escrito para a Nature afirmando que este evento provou que GRBs se originaram de galáxias ativas. No entanto, Jean in 't Zand reescreveu o software de deconvolução WFC para produzir uma posição com uma precisão de 3 minutos de arco, e o objeto BL Lac não estava mais dentro da caixa de erro reduzida. Apesar de BeppoSAX ter observado ambos os raios X e um GRB e a posição ser conhecida no mesmo dia, a fonte da explosão não foi identificada.

O sucesso da equipe BeppoSAX veio em fevereiro de 1997, menos de um ano após seu lançamento. Um BeppoSAX WFC detectou uma explosão de raios gama ( GRB 970228 ), e quando a câmera de raios-X a bordo do BeppoSAX foi apontada na direção de onde a explosão se originou, ela detectou uma emissão de raios-X fraca. Posteriormente, os telescópios terrestres também identificaram uma contraparte óptica em desbotamento. A localização deste evento tendo sido identificada, uma vez que o GRB desapareceu, imagens profundas foram capazes de identificar uma galáxia hospedeira muito distante e tênue na localização do GRB. Em apenas algumas semanas, a longa controvérsia sobre a escala de distâncias terminou: GRBs eram eventos extragalácticos originados dentro de galáxias tênues a distâncias enormes. Ao finalmente estabelecer a escala de distâncias, caracterizar os ambientes em que ocorrem os GRBs e fornecer uma nova janela sobre os GRBs tanto observacionalmente quanto teoricamente, essa descoberta revolucionou o estudo dos GRBs.

Dois grandes avanços também ocorreram com o próximo evento registrado pela BeppoSAX, GRB 970508 . Este evento foi localizado dentro de 4 horas de sua descoberta, permitindo que as equipes de pesquisa comecem a fazer observações muito antes de qualquer explosão anterior. Ao comparar as fotos da caixa de erro tiradas em 8 e 9 de maio (o dia do evento e no dia seguinte), descobriu-se que um objeto teve seu brilho aumentado. Entre 10 e maio, Charles Steidel registrou o espectro do objeto variável do Observatório WM Keck . Mark Metzger analisou o espectro e determinou um desvio para o vermelho de z = 0,835, colocando a explosão a uma distância de aproximadamente 6 bilhões de anos-luz. Esta foi a primeira determinação precisa da distância a um GRB, e provou ainda que os GRBs ocorrem em galáxias extremamente distantes.

Antes da localização do GRB 970228, as opiniões divergiam sobre se os GRBs emitiam ou não ondas de rádio detectáveis. Bohdan Paczyński e James Rhoads publicaram um artigo em 1993 prevendo resquícios de rádio, mas Martin Rees e Peter Mészáros concluíram que, devido às grandes distâncias entre GRBs e a terra, quaisquer ondas de rádio produzidas seriam muito fracas para serem detectadas. Embora GRB 970228 tenha sido acompanhado por um pós-luminescência ótico, nem o Very Large Array nem o Westerbork Synthesis Radio Telescope foram capazes de detectar um pós-luminescência de rádio . No entanto, cinco dias após GRB 970508, Dale Frail , trabalhando com o Very Large Array no Novo México , observou ondas de rádio do pós-luminescência em comprimentos de onda de 3,5 cm, 6 cm e 21 cm. A luminosidade total variava amplamente de hora a hora, mas não simultaneamente em todos os comprimentos de onda. Jeremy Goodman, da Universidade de Princeton, explicou as flutuações erráticas como sendo o resultado da cintilação causada por vibrações na atmosfera da Terra, o que não ocorre mais quando a fonte tem um tamanho aparente maior do que 3 microssegundos de arco. Depois de várias semanas, as flutuações de luminosidade se dissiparam. Usando essa informação e a distância até o evento, foi determinado que a fonte das ondas de rádio se expandiu quase na velocidade da luz . Nunca antes foram obtidas informações precisas sobre as características físicas de uma explosão de raios gama.

Além disso, como GRB 970508 foi observado em muitos comprimentos de onda diferentes, foi possível formar um espectro muito completo para o evento. Ralph Wijers e Titus Galama tentaram calcular várias propriedades físicas da explosão, incluindo a quantidade total de energia na explosão e a densidade do meio circundante. Usando um extenso sistema de equações , eles foram capazes de calcular esses valores como 3 × 10 52  ergs e 30.000 partículas por metro cúbico, respectivamente. Embora os dados de observação não fossem precisos o suficiente para que seus resultados fossem considerados particularmente confiáveis, Wijers e Galama mostraram que, em princípio, seria possível determinar os caracteres físicos de GRBs com base em seus espectros.

A próxima explosão a ter seu redshift calculado foi GRB 971214 com um redshift de 3,42, uma distância de aproximadamente 12 bilhões de anos-luz da Terra. Usando o desvio para o vermelho e as medições precisas de brilho feitas por BATSE e BeppoSAX, Shrinivas Kulkarni , que registrou o desvio para o vermelho no Observatório WM Keck, calculou a quantidade de energia liberada pela explosão em meio minuto como 3 × 10 53  ergs, várias centenas de vezes mais energia do que a liberada pelo sol em 10 bilhões de anos. A explosão foi proclamada como a explosão mais energética que já ocorreu desde o Big Bang , ganhando o apelido de Big Bang 2 . Essa explosão apresentou um dilema para os teóricos do GRB: ou essa explosão produziu mais energia do que poderia ser explicado por qualquer um dos modelos existentes, ou a explosão não emitiu energia em todas as direções, mas em feixes muito estreitos que por acaso estavam apontando diretamente na terra. Embora a explicação do feixe reduzisse a produção total de energia a uma fração muito pequena do cálculo de Kulkarni, também implica que para cada explosão observada na Terra, várias centenas ocorrem, que não são observadas porque seus feixes não estão apontados para a Terra.

Em novembro de 2019, os astrônomos relataram uma notável explosão de raios gama , chamada GRB 190114C , detectada inicialmente em janeiro de 2019, que, até agora, foi determinada como tendo a maior energia, 1 Tera elétron volts (Tev) , já observada para tal um evento cósmico.

Missões atuais

O Konus-Wind é levado a bordo da espaçonave Wind . Foi lançado em 1 de novembro de 1994. O experimento consiste em dois espectrômetros de raios gama idênticos montados em locais opostos da espaçonave para que todo o céu seja observado.

Nave espacial rápida

O INTEGRAL , Laboratório Internacional de Astrofísica de Raios Gama da Agência Espacial Européia , foi lançado em 17 de outubro de 2002. É o primeiro observatório capaz de observar objetos simultaneamente em raios gama, raios X e comprimentos de onda visíveis.

NASA 's Swift satélite lançado em novembro de 2004. Ele combina um detector sensível de raios gama com a capacidade de ponto on-board é detectado raios-X e telescópios ópticos na direção de uma nova explosão em menos de um minuto após a explosão. As descobertas de Swift incluem as primeiras observações de pós-luminescências curtas e vastas quantidades de dados sobre o comportamento das pós-luminescências de GRB nos estágios iniciais de sua evolução, mesmo antes de a emissão de raios gama do GRB ter parado. A missão também descobriu grandes explosões de raios-X aparecendo dentro de minutos a dias após o fim do GRB.

Em 11 de junho de 2008, o Telescópio Espacial de Raios Gama de Grande Área (GLAST) da NASA, mais tarde renomeado como Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi , foi lançado. Os objetivos da missão incluem "decifrar os mistérios das explosões estupendamente poderosas conhecidas como explosões de raios gama".

Outra missão de observação de rajadas de raios gama é AGILE . As descobertas de GRBs são feitas à medida que são detectadas por meio da Rede de Coordenadas de Explosão de Raios Gama para que os pesquisadores possam focalizar prontamente seus instrumentos na fonte da explosão para observar as resplandecências.

Notas

  1. ^ GRBs são nomeados após a data em que foram descobertos: os primeiros dois dígitos sendo o ano, seguido pelo mês de dois dígitos e dia de dois dígitos, em seguida, uma letra correspondente à ordem em que foi detectado (A para o primeiro desse dia, B para o segundo e assim por diante). Antes de 2010, isso só era significativo se dois ou mais GRBs fossem detectados em um determinado dia.
  2. ^ Para obter mais informações sobre galáxias que hospedam GRBs, consulte o banco de dados GHostS http://www.grbhosts.org

Referências

Bibliografia