Estrelas mortas orbitando Buracos Negros pode explicar explosões de rádio rápidas misteriosas

Os cientistas estão examinando os "motores" por trás das explosões mais extremas do Universo.

Por Lee Billings 

Traduzido e adaptado de Scientific American

Uma imagem composta do radiotelescópio Arecibo em Porto Rico contra um céu estrelado. Um flash estilizado da fonte de explosão de rádio rápida RB 121102 é vista em segundo plano, proveniente de uma galáxia anã, a cerca de três bilhões de anos-luz de distância. Novos resultados sugerem que esta FRB é alimentada por um tipo exótico de estrela de nêutrons, potencialmente órbitando um buraco negro maciço. Crédito: Danielle Futselaar / Brian P. Irwin / Dennis van de Water / Shutterstock.com

Desde sua descoberta há mais de uma década, enigmáticos flashes de ondas de rádio confundiram os astrônomos. Estas explosões de rádio rápidas, do inglês Fast Radio Bursts (FRBs) aparecem com frequência e intensidade surpreendentes em todo o céu, cada uma emergindo de fontes extragalácticas distantes desconhecidas e empacotando a potência de até centenas de milhões de sóis em apenas alguns milissegundos fugazes.

Agora, os pesquisadores estão se aproximando de suas origens.

Uma equipe que estuda uma FRB particular, a cerca de três bilhões de anos-luz da Terra - conhecida como FRB 121102, a única conhecida que se repete - descobriu que ela está envolta por um campo magnético extremamente forte. Tais campos magnéticos extremos já foram vistos anteriormente perto de estrelas de nêutrons ao redor do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia. A equipe sugere que a fonte misteriosa desta FRB é uma estrela de nêutrons muito jovem e de rotação rápida altamente magnetizada - um magnetar - que pode estar orbitando um enorme buraco negro. Os resultados foram publicados na Nature em 11 de janeiro.

"Pela primeira vez, temos um senso do meio ambiente em torno da fonte do 'controle remoto' da explosão em três bilhões de anos-luz", disse o co-autor do estudo, Shami Chatterjee, um astrônomo da Universidade de Cornell. "Nós reconhecemos que isso está empilhando uma coisa exótica em cima de outra: queremos um magnetar energético sem precedentes, e também queremos colocá-lo próximo a um enorme buraco negro. Mas nós temos um exemplo semelhante em nossa própria galáxia. "Os magnetares perto do centro da Via Láctea, no entanto, ainda não foram vistos emitindo FRBs, que tendem a vir de muito, muito longe.

Uma propriedade curiosa confirma sua grande distância de nós - suas ondas de rádio foram "dispersas" pela sua passagem através de nuvens de elétrons que preenchem o espaço entre estrelas e galáxias, e foram distorcidas até o ponto em que viajaram para chegar à Terra. Isso significa que as FRBs podem se transformar em sondas de estrutura cósmica perfeitas, permitindo que os pesquisadores determinem não só a distância a qualquer FRB dada, mas também o material intermediário que se encontra no espaço interestelar e intergaláctico em seu caminho. Mas, para perceber plenamente esse potencial revolucionário, os astrônomos devem entender melhor o que dá origem às FRBs em primeiro lugar, e se a única explosão de repetição conhecida, a FRB 121102, é um exemplo típico ou um acaso.

Para saber mais, a equipe monitorou periodicamente a repetição em vários meses usando dois dos maiores radiotelescópios do mundo, o Observatório de Arecibo em Porto Rico e o Telescópio do Banco Verde na Virgínia Ocidental. A FRB 121102 não se repete com a regularidade do relógio; Em vez disso, suas explosões são intermitentes e, até agora, impossíveis de prever com precisão. A equipe finalmente capturou e analisou 16 explosões. As durações de cada explosão, que variaram de nove a 30 milissegundos, sugeriram que a fonte é talvez 10 quilômetros de extensão - o tamanho de uma estrela de nêutrons típica.

Além de analisar o tempo e a dispersão de cada explosão de rádio, os pesquisadores também mediram sua polarização - a forma como a luz da explosão oscilou para cima ou para baixo, esquerda ou direita, perpendicular à direção de sua viagem. Quando as ondas de rádio polarizadas passam por campos magnéticos e partículas carregadas, sua polarização torna-se torcida como um saca-rolhas - quanto mais densas forem as partículas e quanto mais intenso for o campo magnético, maior será a torção. As medidas de polarização mostraram que a torção de FRB 121102 era enorme, rivalizando com a maior fonte astrofísica já vista. A torção também mudou rapidamente, diminuindo 10 por cento em um período de cerca de meio ano. Seja qual for a fonte, ela deve ser um objeto compacto cercado por uma nuvem densa e intensamente magnetizada de plasma (um gás quente e ionizado) movendo-se a velocidades muito altas.

"Podemos talvez entender agora como esse ambiente extremo está relacionado ao fato de que esta é a única FRB repetitiva conhecida?", Pergunta o co-autor do estudo, Jason Hessels, um astrônomo da Universidade de Amsterdã e o Instituto de Radioastronomia ASTRON. "Talvez esse ambiente extremo inclua estruturas que possam aumentar os brilhos das explosões como uma lente de aumento". Essas estruturas poderiam ser os tendões e os nódulos de plasma particularmente densos através da nuvem que envolve a fonte da FRB, as chamadas "lentes de plasma" que ocasionalmente, amplificam as emissões de rádio em curso para ajudar a produzir as repetições. Sem esse efeito de ampliação, explosões repetidas são difíceis de explicar - as FRBs são tão poderosas que muitos modelos sugerem que sua produção exigiria a destruição física total de suas fontes.

Os primeiros censos da verdadeira natureza da FRB 121102 remontam ao início de 2017, quando esta FRB singular distante foi definitivamente vinculada à uma região de intensa formação estelar em uma galáxia anã, cerca de três bilhões de anos-luz da Terra. Essas anãs são ricas em gás prístino e foram dificilmente alteradas desde que o Big Bang, há quase 14 bilhões de anos - e esse gás tende a formar estrelas especialmente maciças e de curta duração, que terminam suas vidas explodindo com violência surpreendente como "supernovas superluminosas". Essas explosões, por sua vez, podem deixar vestígios particularmente extremos - buracos negros de massa estelar, por um lado, mas também as estrelas de nêutrons rotineiras e seus parentes, os magnetares. Além disso, quando os astrônomos ampliaram a localização da FRB dentro da galáxia anã, eles viram algo mais próximo - um brilho de rádio mais estável e suave de uma nuvem de plasma que poderia ter sido algum material ejetado de uma recente supernova formadora de magnetar ou formado por um buraco negro se alimentando vorazmente. Na época, ninguém sabia se a FRB estava realmente associada a esta nuvem.

"A localização do ano passado foi um trocador de jogos de uma maneira muito direta", diz Jim Cordes, co-autor e astrônomo de estudo da Cornell. "Este último resultado é mais perfuração na FRB e seus arredores para nos dizer algo sobre o meio ambiente que a rodeia, o que chamamos de 'motor', o objeto produzindo essas explosões de rádio de alta energia." Esse motor temível, Cordes e outros co-autores dizem, é provavelmente um magnetar com menos de um século de idade - um recém nascido em comparação com aqueles que conhecemos na Via Láctea, que acredita-se terem se formado há milhares de anos. Um magnetar tão jovem deve estar girando extremamente rápido, talvez uma vez a cada milissegundo, mas perderá rapidamente a velocidade de rotação, pois seu campo magnético giratório despeja imensas quantidades de energia em uma camada circundante de plasma expansível que sobrou da supernova que o originou.

"À medida que o magnetar gira, seu campo magnético se move. E o campo é tão forte que leva a crosta de ferro do magnetar com ele, fazendo com que a crosta se quebre e gere 'terremotos estelares' e flares que impulsionam a energia como um pistão para dentro da nebulosa circundante e dinâmica", diz Cordes. "Essa é uma possibilidade". O outro, ele diz, é um magnetar em órbita em um enorme buraco negro que está alimentando grandes volumes de gás e poeira. Nesse cenário mais geral, o magnetar poderia passar periodicamente através de discos de detritos e jatos de partículas que rodeiam o buraco negro à medida que ele se alimenta, sendo banhado em material que é então ejetado em alta velocidade pelos intensos campos magnéticos. Em ambos os casos, o resultado pode ser um FRB repetitivo. Se a polarização torcida do FRB 121102 continuar a descontrolar (seguindo a redução de 10 por cento em meio ano), isso sugeriria que uma nebulosa circundante se expandisse lentamente e se dissipasse. Se caso o seu entorno continuasse exibindo oscilações magnéticas selvagens, isso poderia ser uma prova melhor para algo mais parecido com o cenário de um buraco negro.

Embora estes resultados percam um longo caminho para resolver o mistério da FRB 121102, diz Chatterjee, eles ainda permanecem frustrantemente silenciosos sobre as maiores questões: Todas as FRBs provêm de um tipo de fonte física? Todas as FRBs repetem? "Este é um problema de natureza versus educação", diz ele. "É na natureza das FRBs que todas elas se originam neste tipo de ambiente extremo - ou esta é mais uma situação de nutrição, onde isso se repete por causa de seu ambiente extremo, esse forte campo magnético e lentes de plasma? Ambas as possibilidades permanecem tentadoras.

Mais respostas devem vir em breve, através de novos telescópios de rádio de campo largo que agora estão ligados, e que devem se destacar na detecção de mais FRBs, identificando suas origens cósmicas e traçando suas possíveis repetições. Um em particular, chamado de CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), é projetado para detectar a origem de algumas poucas dúzias de FRB por dia. Ele começará a operar no final deste ano, dando aos astrônomos novas esperanças de espiar mais profundamente do que nunca nos misteriosos corações das FRBs em todo o Universo.