1479: Telescópios encontram fonte de raios-x no interior de super-nova misteriosa

AT2018cow explodiu dentro de ou próximo da galáxia CGCG 137-068, localizada a cerca de 200 milhões de anos-luz de distância na direcção da constelação de Hércules. Esta ampliação mostra a posição do fenómeno.
Crédito: Sloan Digitized Sky Survey

Os telescópios espaciais de alta energia da ESA, INTEGRAL e XMM-Newton, ajudaram a encontrar uma poderosa fonte de raios-X no centro de uma explosão estelar, de brilho e evolução sem precedentes, que apareceu subitamente no céu.

O telescópio ATLAS no Hawaii foi o primeiro a avistar o fenómeno, desde então chamado AT2018cow, no dia 16 de junho. Pouco tempo depois, astrónomos de todo o mundo apontaram telescópios terrestres e espaciais para o objecto celeste recém-descoberto, localizado numa galáxia a aproximadamente 200 milhões de anos-luz.

Rapidamente perceberam que era algo completamente novo. Em apenas dois dias, o objecto excedeu o brilho de qualquer super-nova observada anteriormente – uma poderosa explosão de uma estrela massiva e velha que expele a maior parte do seu material para o espaço circundante, varrendo a poeira e os gases interestelares na sua vizinhança.

O novo artigo, aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal, descreve as observações dos primeiros 100 dias da existência do objecto, cobrindo todo o espectro electromagnético da explosão, desde o rádio até aos raios-gama.

A análise, que inclui observações do INTEGRAL e XMM-Newton da ESA, bem como dos telescópios espaciais NuSTAR e Swift da NASA, encontrou uma fonte de raios-X altamente energéticos situada no interior da explosão.

O comportamento desta fonte, revelado nos dados, sugere que o fenómeno estranho pode ser ou um buraco negro nascente ou uma estrela de neutrões com um poderoso campo magnético, sugando o material circundante.

“A interpretação mais empolgante é que podemos ter visto pela primeira vez o nascimento de um buraco negro ou de uma estrela de neutrões,” comenta Raffaella Margutti da Universidade Northwestern, EUA, autora principal do artigo.

“Sabemos que os buracos negros e as estrelas de neutrões se formam quando as estrelas colapsam e explodem como super-novas, mas nunca vimos tais objectos no momento exacto da sua formação,” acrescenta Indrek Vurm do Observatório Tartu, na Estónia, que trabalhou na modelagem das observações.

A explosão AT2018cow não foi apenas 10 a 100 vezes mais brilhante do que qualquer outra super-nova já observada anteriormente: também atingiu o pico de luminosidade muito mais depressa do que qualquer outro evento conhecido anteriormente – em apenas alguns dias em comparação com as duas semanas normais.

O INTEGRAL fez as suas primeiras observações do fenómeno cerca de cinco dias depois de ter sido relatado e manteve a monitorização durante 17 dias. Os seus dados mostraram-se cruciais para a compreensão do estranho objecto.

“O INTEGRAL estuda uma gama de comprimentos de onda que não é coberta por qualquer outro satélite,” realça Erik Kuulkers, cientista do projecto INTEGRAL da ESA. “Nós temos uma certa sobreposição com o NuSTAR na parte dos raios-X altamente energéticos, mas também podemos observar a energias mais altas.”

Assim, enquanto os dados do NuSTAR revelaram em grande detalhe o espectro de raios-X, com o INTEGRAL os astrónomos foram capazes de ver o espectro inteiro da fonte, incluindo o seu limite superior em raios-gama suaves.

“Vimos uma espécie de ‘solavanco’ com um corte acentuado no espectro mais energético,” explica Volodymyr Savchenko, astrónomo da Universidade de Genebra, na Suíça, que trabalhou nos dados do INTEGRAL. “Este ‘solavanco’ é um componente adicional da radiação libertada pela explosão, brilhando através de um meio opaco ou opticamente espesso.”

“Esta radiação altamente energética veio provavelmente de uma área de plasma muito quente e denso em torno da fonte,” acrescenta Carlo Ferrigno, também da Universidade de Genebra.

Dado que o INTEGRAL continuou a monitorizar a explosão AT2018cow por um maior período de tempo, os seus dados também puderam mostrar que o sinal de raios-X altamente energéticos estava gradualmente a desvanecer.

Raffaella explica que a estes raios-X altamente energéticos que desapareceram se dá o nome radiação reprocessada – radiação da fonte que interage com material expelido pela explosão. À medida que o material se afasta do centro da explosão, o sinal diminui gradualmente e acaba por desaparecer completamente.

No entanto, neste sinal os astrónomos foram capazes de encontrar padrões típicos de um objecto que atrai matéria dos seus arredores – seja um buraco negro ou uma estrela de neutrões.

“É a característica mais invulgar que observámos em AT2018cow e é definitivamente algo sem precedentes no mundo dos eventos astronómicos transientes e explosivos,” diz Raffaella.

Entretanto, o XMM-Newton observou esta explosão invulgar duas vezes nos primeiros 100 dias da sua existência. Detectou a parte menos energética da sua emissão de raios-X que, segundo os astrónomos, vem directamente do “motor” no núcleo da explosão. Ao contrário dos raios-X altamente energéticos provenientes do plasma circundante, ainda são visíveis os raios-X de baixa energia da fonte.

Os astrónomos planeiam usar o XMM-Newton para realizar uma observação de acompanhamento no futuro, o que permitirá com que compreendam o comportamento da fonte ao longo de um maior período de tempo e em grande detalhe.

“Continuamos a analisar os dados do XMM-Newton para tentar compreender a natureza da fonte,” realça a co-autora Giulia Migliori, da Universidade de Bolonha, na Itália, que trabalhou nos dados de raios-X. “A acreção dos buracos negros deixa marcas características em raios-X, que podemos detectar nos nossos dados.”

“Este evento foi completamente inesperado e mostra que há muito que não entendemos completamente,” diz Norbert Scharterl, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “Um satélite, um único instrumento, nunca seria capaz de entender um objecto tão complexo. Os conhecimentos detalhados que pudemos reunir sobre o funcionamento da misteriosa explosão AT2018cow só foram alcançados graças à ampla cooperação e combinação de muitos telescópios.”

Astronomia On-line
15 de Janeiro de 2019

[vasaioqrcode]

 

770: INTEGRAL JUNTA-SE À CAMPANHA MULTI-MENSAGEIRA PARA ESTUDAR FONTES DE NEUTRINOS DE ALTA ENERGIA

Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que albergam um buraco negro super-massivo no coração, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jactos relativísticos que apontam na direcção da Terra.
Nesta impressão de artista, o blazar emite neutrinos e raios-gama, como no caso do evento IceCube-170922A, registo no dia 22 de Setembro de 2017. Nesta ocasião, o IceCube no Pólo Sul detectou um neutrino enquanto ao mesmo tempo raios-gama, oriundos da mesma direcção no céu, foram detectados por outros telescópios na Terra e no espaço.
Crédito: IceCube/NASA

Uma equipa internacional de cientistas encontrou a primeira evidência de uma fonte de neutrinos de alta energia: uma galáxia activa, ou blazar, a 4 mil milhões de anos-luz da Terra. Após uma detecção pelo Observatório de Neutrinos IceCube, a 22 de Setembro de 2017, o satélite INTEGRAL da ESA juntou-se a uma colaboração de observatórios no espaço e no solo que vigiava a fonte de neutrinos, anunciando o emocionante futuro da astronomia multi-mensageira.

Os neutrinos são partículas “fantasmagóricas”, quase sem massa, que viajam essencialmente de forma livre através do espaço, perto da velocidade da luz. Apesar de serem algumas das partículas mais abundantes no Universo – 100 biliões passam através dos nossos corpos a cada segundo – estas partículas subatómicas, electricamente neutras, são notoriamente difíceis de detectar porque interagem com a matéria incrivelmente raramente.

Enquanto os neutrinos primordiais foram criados durante o Big Bang, muitas dessas partículas ilusórias são rotineiramente produzidas em reacções nucleares através do cosmos. A maioria dos neutrinos que chegam à Terra derivam do Sol, mas acredita-se que aqueles que nos atingem com as energias mais altas provêm das mesmas fontes que os raios cósmicos – partículas altamente energéticas originárias de fontes exóticas fora do Sistema Solar.

Ao contrário dos neutrinos, os raios cósmicos são partículas carregadas e, assim, o seu caminho é torcido por campos magnéticos, mesmo os mais fracos. A carga neutra dos neutrinos, em vez disso, significa que estes não são afectados pelos campos magnéticos e, como eles passam quase inteiramente através da matéria, podem ser usados para traçar um caminho recto até à sua origem.

Agindo como “mensageiros”, os neutrinos transportam directamente informações astronómicas dos confins do Universo. Nas últimas décadas, foram construídos vários instrumentos na Terra e no espaço para descodificar as suas mensagens, embora detectar estas partículas não seja tarefa fácil. Em particular, a fonte de neutrinos de alta energia, até agora, não foi comprovada.

No dia 22 de Setembro de 2017, um desses neutrinos de alta energia chegou ao Observatório de Neutrinos IceCube, no Pólo Sul. O evento foi chamado IceCube-170922A.

O observatório IceCube, que engloba um quilómetro cúbico de gelo cristalino e profundo, detecta neutrinos através das suas partículas secundárias, muões. Estes muões são produzidos nas raras ocasiões em que um neutrino interage com a matéria na vizinhança do detector e criam rastros com quilómetros de comprimento, à medida que passam pelas camadas de gelo da Antárctida. Os seus longos caminhos significam que a sua posição pode ser bem definida, e a origem parental do neutrino pode ser fixada no céu.

Durante o evento de 22 de Setembro, um muão em travessia depositou 22 TeV de energia no detector IceCube. A partir disso, os cientistas estimaram a energia do neutrino parental em torno de 290 TeV, indicando uma possibilidade de 50% de ter uma origem astrofísica além do Sistema Solar.

Quando a origem de um neutrino não pode ser identificada de maneira robusta pelo IceCube, como neste caso, são necessárias observações de múltiplos comprimentos de onda para investigar a sua fonte. Assim, após a detecção, os cientistas do IceCube circularam as coordenadas no céu da origem do neutrino, inferidas a partir das suas observações, para uma rede mundial de observatórios terrestres e espaciais que trabalham em todo o espectro electromagnético.

Estes incluíram o telescópio espacial de raios-gama Fermi da NASA e os telescópios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) em La Palma, nas Ilhas Canárias, que observou esta parte do céu e encontrou o blazar conhecido, TXS 0506 + 056, num estado de “cintilação” – um período de intensa emissão de alta energia – ao mesmo tempo que o neutrino foi detectado no Pólo Sul.

Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que albergam um buraco negro super-massivo no coração, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jactos relativísticos.

Estes jactos são colunas colossais que irradiam radiação, fotões e partículas – incluindo neutrinos e raios cósmicos – a dezenas de anos-luz do buraco negro central, a velocidades muito próximas da velocidade da luz. Uma característica específica dos blazares é que um desses jactos aponta na direcção da Terra, fazendo com que a sua emissão pareça excepcionalmente brilhante.

Cientistas de todo o mundo começaram a observar este blazar – a fonte provável do neutrino detectado pelo IceCube – numa variedade de comprimentos de onda, de ondas de rádio a raios-gama de alta energia. O observatório de raios gama INTEGRAL da ESA fez parte desta colaboração internacional.

“Este é um marco muito importante para entender como os neutrinos de alta energia são produzidos”, diz Carlo Ferrigno, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL da Universidade de Genebra, na Suíça.

“Houve alegações anteriores de que as explosões de blazar estavam associadas à produção de neutrinos, mas esta, a primeira confirmação, é absolutamente fundamental. Este é um período empolgante para a astrofísica”, acrescenta ele.

O INTEGRAL, que examina o céu em raios-X fortes e raios-gama suaves, também é sensível a fontes transitórias de alta energia em todo o céu. No momento em que o neutrino foi detectado, não registou nenhuma explosão de raios-gama do local do blazar, então os cientistas foram capazes de descartar emissões imediatas de certas fontes, como uma explosão de raios-gama.

Após o alerta de neutrino do IceCube, o INTEGRAL apontou para esta área do céu em várias ocasiões, entre 30 de Setembro e 24 de Outubro de 2017, com os seus instrumentos de campo amplo, e não observou o blazar num estado de cintilação na gama de raios-X fortes ou raios-gama suaves.

O facto do INTEGRAL não ter detectado a fonte nas observações de acompanhamento forneceu informações significativas sobre esse blazar, permitindo que os cientistas colocassem um limite superior útil na sua produção de energia durante esse período.

“O INTEGRAL foi importante para restringir as propriedades deste blazar, mas também para permitir que os cientistas excluíssem outras fontes de neutrinos, como explosões de raios-gama”, explica Volodymyr Savchenko, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL, que liderou a análise dos dados do INTEGRAL.

Com instalações espalhadas pelo globo e no espaço, os cientistas têm agora a capacidade de detectar uma infinidade de “mensageiros cósmicos”, percorrendo vastas distâncias a velocidades extremamente altas, na forma de luz, neutrinos, raios cósmicos e até ondas gravitacionais.

“A capacidade de fazer com que os telescópios alcancem uma descoberta utilizando uma variedade de comprimentos de onda, em cooperação com um detector de neutrinos como o IceCube, é um marco ao qual os cientistas chamam de astronomia multi-mensageira”, diz Francis Halzen da Universidade de Wisconsin-Madison, EUA, cientista-líder do Observatório de Neutrinos IceCube.

Com a combinação das informações recolhidas por cada um desses instrumentos sofisticados para a investigação de uma ampla gama de processos cósmicos, a era da astronomia multi-mensageira entrou verdadeiramente na fase da exploração científica.

Os telescópios espaciais de alta energia da ESA estão totalmente integrados nesta rede de grandes colaborações multi-mensageiras, como demonstrado durante a recente detecção de ondas gravitacionais com uma correspondente emissão de raios-gama – esta última detectada pelo INTEGRAL – libertadas pela colisão de duas estrelas de neutrões e na subsequente campanha, com contribuições do INTEGRAL, bem como do Observatório de raios-X XMM-Newton.

Reunir recursos destes e de outros observatórios é fundamental para o futuro da astrofísica, promovendo a nossa capacidade de descodificar as mensagens que nos chegam de todo o Universo.

“O INTEGRAL é o único observatório disponível no domínio de raios-X fortes e raios-gama que tem a capacidade de realizar imagens e espectroscopia dedicadas, além de ter uma visão instantânea do céu a qualquer momento”, realça Erik Kuulkers, cientista do projecto INTEGRAL na ESA.

“Depois de mais de 15 anos de operações, o INTEGRAL ainda está na vanguarda da astrofísica de alta energia.”

Astronomia On-line
17 de Julho de 2018

[vasaioqrcode]

[SlideDeck2 id=1476]

[powr-hit-counter id=dd688935_1531823638839]

See also Blog