Estudo de Ponta Confirma A Causa das Explosões de Raios-Gamma de Curta Duração

Uma nova simulação de supercomputador mostra que a colisão de duas estrelas de nêutrons podem produzir naturalmente as estruturas magnéticas que acredita-se fornecem energia aos jatos de  partículas de alta velocidade associadas com curtas explosões de raios-gamma (GRBs). O estudo fornece uma visão mais detalhada das forças que dirigem algumas das explosões mais energéticas do universo.

A simulação de estado da arte roda por aproximadamente sete semanas no computador Damiana um aglomerado de CPUs localizado no Albert Einstein (AEI) em Potsdam, Alemanha. Ele traça eventos que se desdobram por mais de 35 milisegundos – algo em torno de três vezes mais rápido que um piscar de olhos.

As GRBs estão entre os eventos mais brilhantes conhecidos, emitem muita energia em poucos segundos, uma quantidade de energia similar a que uma galáxia inteira gera por um ano. A maioria das emissões vêem em forma de raios-gamma, a forma mais energética da luz.

“Pela primeira vez, nós somos capazes de gerenciar a simulação bem como a fusão e a formação de buracos negros”, disse Chryssa Kouveliotou, co-autora do estudo no Marsahll Space Flight Center da NASA em Huntsville, Ala. “Essa é de longe a mais longa simulação desse tipo de processo, e tem o tempo suficiente para mostrar o crescimento dos campos magnéticos e reconhecer esses campos desde as caóticas estruturas em algo que lembra um jato”.

Os GRBs maiores que dois segundos são os tipos mais comuns e são pensados vastamente como sendo iniciados pelo colapso de uma estrela massiva em um buraco negro. À medida que a matéria cai em direção ao buraco negro, alguma parte dessa matéria forma jatos em direção oposta ao seu movimento próximo da velocidade da luz. Esses jatos passam através da estrela em colapso ao longo de seu eixo de rotação e produz uma explosão de raios-gamma após eles emergirem. Entender os GRBs de curta duração, que se apagam rapidamente, prova ser mais elusivo. Os astrônomos têm muita dificuldade em obter a precisa posição para estudos seguintes.

Isso começou a mudar em 2004, quando o satélite Swift da NASA começou a localizar rapidamente as explosões e alertar aos astrônomos para que eles pudessem estudar o fenômeno.

“Por mais de duas décadas, o modelo que domina os GRBs de curta duração era o da fusão de duas estrelas de nêutrons”, diz o co-autor Bruno Giacomazzo na University of Maryland e do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Md. “Somente agora nós podemos mostrar que a fusão das estrelas de nêutrons na verdade produzem um campo magnético ultrasônico estruturado como os jatos necessários para produzir um GRB”.

Uma estrela de nêutrons é na verdade o núcleo comprimido deixado para trás quando uma estrela pesando menos de aproximadamente 30 vezes a massa do Sol, explode como uma supernova. Essa matéria alcança densidades que não podem ser reproduzidas na Terra – um pequeno pedaço tem o peso de todo o Himalaia.

A simulação começou com um par de estrela de nêutrons magnetizadas orbitando uma a outra com uma distância de 11 milhas. Cada estrela tem uma massa de 1.5 vezes a massa do Sol em uma esfera de apenas 17 milhas de diâmetro e gera um campo magnético de aproximadamente um trilhão de vezes mais forte que o do Sol.

Em 15 milisegundos, as duas estrelas de nêutrons se chocam, se fundem e se transformam em um buraco negro com rotação rápida com o peso de 2.9 sóis. A borda do buraco negro, conhecida como horizonte de evento, se espalha por menos de seis milhas. Um redemoinho caótico de matéria superdensa com temperatura que excede os 18 bilhões de graus Fahrenheit ao redor do recém nascido buraco negro. A fusão amplifica a força do campo magnético combinado, mas ele também se dispersa em uma confusão.

Pelos próximos 11 milisegundos, o gás gira em forma de redemoinho próximo da velocidade da luz continuando a amplificar o campo magnético, que ultimamente se torna milhares de vezes mais forte do que os campos originais das estrelas de nêutrons. Ao mesmo tempo, o campo se torna mais organizado e gradualmente forma um par de funis direcionados ao longo do eixo de rotação do buraco negro.

Essa é exatamente a configuração necessária para fornecer energia aos jatos de partículas ultrarápidas que produzem explosões de raios-gamma de curta duração. Os funis magnéticos foram preenchidos com matéria de alta velocidade quando a simulação terminou, mas em estudos anteriores, pôde-se mostrar que a formação dos jatos podem ocorrer sob essas condições.

“Resolvendo as equações da relatividade de Einstein, como nunca antes e deixando a natureza seguir seu curso, nós pudemos identificar os curtos GRBs e revelar o poderia ser seu motor central”, disse Luciano Ressolla, líder do estudo no AEI. “Esse é um resultado esperado há muito tempo. Agora parece que fusão entre as estrelas de nêutrons inevitavelmente produzem estruturas de jatos alinhadas em um campo magnético ultrasônico”.

Os autores notaram que a última prova para o modelo da fusão terá que esperar pela detecção das ondas gravitacionais – ondas na fábrica do espaço-tempo previstas pela relatividade. A fusão entre estrelas de nêutrons é esperada para ser fontes proeminentes, assim os pesquisadores também puderam computar como o sinal da onda gravitacional seria no modelo. Observatórios ao redor do mundo estão pesquisando por ondas gravitacionais, até agora sem sucesso pois os sinais são muito fracos.

Fonte:

http://www.nasa.gov/topics/universe/features/gamma-ray-engines.html

 

Sérgio Sacani

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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