Três explosões estelares de invulgar longa duração, descobertas pelo satélite Swift da NASA, representam uma nova classe de fulgurações de raios gama (GRBs). Duas equipas internacionais de astrónomos, a estudar estes eventos, concluem que eles têm provavelmente origem na morte catastrófica de estrelas supergigantes, centenas vezes maiores que o Sol.

Os astrónomos discutiram as suas descobertas no Simpósio GBR 2013 que se celebra em Nashville, Tennessee, um encontro patrocinado em parte pela Universidade do Alabama em Huntsville e pelos telescópios espaciais das Missões de raios gama Swift e Fermi.

As fulgurações de raios gama (GBRs) são as explosões mais luminosas e misteriosas do Universo. As explosões emitem ondas de raios gama - a mais poderosa forma de luz - assim como raios-X, e produzem brilhos residuais que podem ser observados no óptico e no rádio. O Swift, o Fermi e outros telescópios detectam em média cerca de uma GRB por dia.

"Temos visto milhares de fulgurações de raios gama ao longo das últimas quatro décadas, mas só agora estamos a ter uma imagem clara do quão extremos estes eventos extraordinários podem ser", disse Bruce Gendre, investigador agora associado ao Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e que conduziu este estudo quando ainda estava no Centro de Dados da Agência Espacial Italiana de Ciência, em Frascati, Itália.

Antes do lançamento do Swift, em 2004, os instrumentos dos satélites eram muito menos sensíveis a fulgurações de raios gama que ocorreram em escalas de tempo relativamente longas.

Tradicionalmente, os astrónomos têm reconhecido dois tipos de GBRs, curtas e longas, com base na duração do sinal de raios gama. A fulgurações curtas duram dois segundos ou menos e pensa-se que estão relacionadas com a fusão de objectos compactos num sistema binário, provavelmente estrelas de neutrões ou buracos negros. As fulgurações longas podem durar de alguns segundos a vários minutos (as durações médias situam-se entre os 20 e os 50 segundos), e julga-se que estão associadas ao colapso de uma estrela com várias vezes a massa do Sol e o consequente nascimento de um buraco negro.

Ambos os cenários dão origem a poderosos jactos que lançam matéria em direcções opostas a velocidades próximas à da luz. Quando interagem com a matéria dentro e em torno da estrela, os jactos de produzem um pico de luz de alta energia.

Gendre e os seus colegas fizeram um estudo detalhado da GRB 111209A, que surgiu a 9 de Dezembro de 2011, usando dados de raios gama do instrumento Konus do satélite Wind da NASA e também observações em raios-X do Swift e do XMM-Newton da ESA e dados ópticos do observatório robótico TAROT de La Silla, Chile. A fulguração continuou a produzir emissão de alta de energia durante umas incríveis sete horas, tornando-se, de longe, a GBR de maior duração já registada. As descobertas da equipa surgiram na edição de 20 de Março do The Astrophysical Journal.

Outro evento, a GRB 101225A, surgiu no dia de Natal de 2010 e produziu emissão de alta de energia durante pelo menos duas horas. Posteriormente denominada "fulguração de Natal", a sua distância era desconhecida, o que levou duas equipas a chegarem a interpretações físicas radicalmente diferentes. Uma delas concluiu que a explosão foi causada por um asteróide ou um cometa ao cair sobre uma estrela de neutrões dentro da nossa própria Galáxia. A outra equipa determinou que a explosão foi o resultado de um evento de fusão num sistema binário exótico localizado a cerca de 3,5 mil milhões de anos-luz de distância.

"Sabemos agora que a fulguração de Natal ocorreu muito mais longe, para lá de meio caminho através do Universo observável, e consequentemente foi muito mais poderosa do que os investigadores imaginavam", afirmou Andrew Levan, astrónomo da Universidade de Warwick, em Coventry, Inglaterra.

Usando o Telescópio Gemini Norte, no Havai, Levan e a sua equipa obtiveram um espectro da galáxia distante onde aconteceu a fulguração de Natal. Isto permitiu aos cientistas identificarem linhas de emissão de oxigénio e hidrogénio e determinarem o desvio dessas linhas para energias mais baixas quando em comparação com as mesmas linhas em laboratório. Esta diferença, conhecida pelos astrónomos como desvio para o vermelho, situa a fulguração a 7 mil milhões de anos-luz de distância.

Como parte deste estudo, descrito num artigo enviado para o The Astrophysical Journal, a equipa de Levan também examinou a GBR 111209A e ainda a GBR 121027A - esta última, mais recente, explodiu a 27 de Outubro de 2012. Todas revelaram emissões semelhantes de raios-X, ultravioletas e óptico e todas aconteceram nas regiões centrais de galáxias compactas que estavam activamente a formar estrelas. Os astrónomos concluíram que as três GRBs constituem um grupo até agora desconhecido de fulgurações "ultra-longas".

Para a classe normal de GRBs longas, os astrónomos pressupõem uma estrela de tamanho semelhante ao do Sol, mas com várias vezes a sua massa. A massa deve existir em quantidade suficiente para a estrela sofrer uma crise de energia, com o seu núcleo a ficar sem combustível e a entrar em colapso sob o seu próprio peso para formar um buraco negro. Alguma da matéria que cai no recém-nascido buraco negro é redireccionada em jactos potentes que saem da estrela, criando um pico de raios gama, mas porque esta fulguração é de curta duração, a estrela tem de ser relativamente pequena.

"As estrelas de Wolf-Rayet ajustam-se a estes requisitos", explicou Levan. "Nascem com mais de 25 vezes a massa do Sol, mas ardem de tal forma que afastam a sua enorme camada exterior de hidrogénio num fluxo a que chamamos vento estelar."A expulsão da atmosfera da estrela deixa para trás um objecto com massa suficiente para formar um buraco negro, mas suficientemente pequeno para que jactos de partículas o atravessem em períodos típicos de GRBs longas.

Porque as GRBs ultra-longas duram por períodos até 100 vezes maiores que as GRBs longas, exigem, em correspondência, uma fonte estelar de tamanho maior. Ambos os grupos sugerem como candidato uma estrela supergigante, com cerca de 20 vezes a massa do Sol e que ainda mantenha a sua profunda atmosfera de hidrogénio, atingindo centenas de vezes o diâmetro do Sol.

A equipa de Gendre vai mais longe, sugerindo que a GRB 111209A assinalou a morte de uma supergigante azul, contendo quantidades relativamente modestas de elementos mais pesados que o hélio aos quais os astrónomos chamam metais.

"O teor de metais de uma estrela de grande massa controla a intensidade do seu vento estelar, que determina a quantidade de atmosfera de hidrogénio que é mantida à medida que a estrela envelhece", observa Gendre. A profunda camada de hidrogénio da estrela levaria horas a cair no buraco negro, o que proporcionaria uma fonte de combustível de longa duração para alimentar o jacto de uma GRB ultra-longa.

O teor de metais também desempenha um papel importante no desenvolvimento de GRBs longas, de acordo com um estudo detalhado apresentado por John Graham e André Fruchter, ambos astrónomos do Space Telescope Science Institute, em Baltimore.

As estrelas geram elementos pesados a produzir energia ao longo das suas vidas e também durante explosões de supernovas, e cada geração de estrelas vai enriquecendo o gás interestelar com uma maior proporção destes elementos. Embora os astrónomos tenham vindo a notar que as GRBs longas ocorrem com muito mais frequência em galáxias pobres em metais, alguns sugeriram que este padrão não é intrínseco às estrelas e aos seus ambientes.

Para avaliar esta possibilidade, Graham e Fruchter desenvolveram um novo método que lhes permitiu comparar galáxias através das taxas de formação de estrelas. Examinaram galáxias onde se deram GRBs longas e vários tipos de supernovas, bem como uma amostra de controlo de 20 mil galáxias típicas do Sloan Digital Sky Survey

Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
O levantamento do céu SDSS é um projecto que tem por objectivo mapear detalhadamente um quarto de todo o céu, determinando posições e magnitudes absolutas de 100 milhões de objectos celestes, e determinando ainda a distância a mais de 1 milhão de galáxias e quasares. Os telescópios que participam neste projecto estão situados no Observatório de Apache Point (EUA). O SDSS é um projecto conjunto de instituições norte-americanas, alemãs e japonesas.

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Os astrónomos descobriram que 75% das GRBs longas ocorrem entre os 10% da formação estelar com o mais baixo teor de metal. Embora o estudo tenha encontrado algumas GRBs longas em ambientes com elevado teor de metais, como a nossa própria Galáxia, estas ocorrem em apenas cerca de 4% da taxa observada em ambientes de baixo teor de metal por unidade de formação estelar.

"A maioria das estrelas formam-se em ambientes ricos em metais, e isto tem o efeito colateral de diminuir a prevalência de GRBs longas à medida que o Universo envelhece", explicou Graham. "E se uma GRB longa nas nossas proximidades seria catastrófica para a vida na Terra, o nosso estudo mostra que as galáxias como a nossa têm muito menos tendência para as produzir."

Os astrónomos suspeitam que este padrão reflecte uma diferença no modo como uma estrela de grande massa consegue manter sua velocidade de rotação. O aumento do teor de metais significa ventos estelares mais fortes. Como estes ventos empurram a matéria para fora da superfície da estrela, a rotação da estrela vai diminuindo gradualmente, tal como um patinador ao girar diminui a velocidade de rotação quando estende os braços. As estrelas com rotação mais rápida podem ter maior tendência para produzirem uma GRB longa.

Graham e Fruchter põem a hipótese de algumas GRBs longas encontradas em ambientes de alto teor metálico receberam o auxilio da presença de uma estrela companheira próxima. Cedendo massa – e com ela energia de rotação – à estrela que explode, o companheiro é o equivalente físico de alguém que empurra um patinador que gira lentamente de forma a que ele atinja maior velocidade de rotação.

Fonte da notícia: http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/supergiant-stars.html