As supernovas são alguns dos eventos mais energéticos do universo. Um subconjunto deles inclui rajadas de raios gama, onde grande parte da energia emitida vem de fótons de energia extremamente alta. Achamos que sabemos por que isso geralmente acontece – o buraco negro que sobrou da explosão expele jatos de material quase à velocidade da luz. Mas os detalhes de como e onde esses jatos produzem fótons estão longe de serem totalmente resolvidos.

Infelizmente, esses eventos acontecem muito rápido e muito longe, então não é fácil obter notas detalhadas sobre eles. No entanto, uma recente explosão de raios gama apelidada de BOAT (Brightest Ever Recorded) pode nos fornecer novas informações sobre eventos dentro de alguns dias após a explosão da supernova. Um novo artigo descreve dados de um telescópio que estava apontando na direção certa e sensível à radiação de energia extremamente alta do evento.

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O referido “telescópio” é Grande observatório de chuveiro de ar em alta altitude (LHAASO). Localizado a três milhas (4.400 metros) acima do nível do mar, o observatório é um conjunto de instrumentos que não é um telescópio no sentido tradicional. Em vez disso, deve capturar chuveiros de ar – uma intrincada cadeia de detritos e fótons que são produzidos quando partículas de alta energia do espaço sideral colidem com a atmosfera.

Embora limitados em comparação com os telescópios convencionais, os detectores de chuveiro de ar têm algumas vantagens em relação a eventos como o BOAT. Eles têm um campo de visão muito amplo porque não precisam realmente se concentrar em um evento, mas precisam reconstruí-lo com base nos fótons e partículas que atingem a superfície da Terra. Eles são sensíveis apenas a eventos de alta energia, o que significa que a luz do dia tem energia muito baixa para interferir, então eles podem operar 24 horas por dia.

Como o LHAASO estava coletando dados quando a supernova BOAT entrou em erupção, seus detectores não apenas captaram o início do evento, mas também foram capazes de rastrear sua evolução por vários dias depois. Embora houvesse uma resolução espacial ruim, havia uma quantidade enorme de dados, todos separados por comprimento de onda. Os primeiros 100 minutos viram a detecção de mais de 64.000 fótons com energias superiores a 200 GeV. Para contextualizar, converter toda a massa de um próton em energia produz pouco menos de um GeV.

Uma das primeiras coisas que ficou evidente foi que havia uma enorme diferença entre fótons em energias mais baixas (mas ainda muito altas!) e aqueles nas extremidades mais extremas do espectro eletromagnético. Os dados dos fótons que estavam acima do TeV mudaram suavemente ao longo do tempo, enquanto aqueles na faixa de megaelétron-volt flutuaram para cima e para baixo.

Entendendo os dados

Os pesquisadores sugerem que esses dados são consistentes com a proposta de que eventos de baixa energia são causados ​​pelos jatos interagindo com os detritos turbulentos da supernova. Como esses detritos seriam complexos e próximos à fonte dos jatos, isso limitaria a quantidade de partículas espaciais nos jatos que teriam que acelerar, limitando sua energia.

Por outro lado, os fótons de alta energia são produzidos em regiões onde os jatos rasparam os detritos da supernova e começaram a interagir com a matéria que compunha os arredores da estrela – partículas provavelmente bombardeadas pelo equivalente estelar do vento solar. É um ambiente mais esparso e uniforme, permitindo aos jatos um caminho menos turbulento para acelerar as partículas às energias extremas necessárias para produzir fótons de energias superiores a TeV.

Embora pareça difícil passar pelos detritos da supernova, o processo acontece muito rapidamente porque os jatos aceleram as partículas quase à velocidade da luz. Portanto, leva apenas cerca de cinco segundos para ver o rápido aumento dos fótons TeV nos dados.

A partir daí, é uma descida mais suave que dura cerca de 13 segundos. A equipe de pesquisa por trás do trabalho sugere que isso envolve os jatos interagindo e acelerando partículas no ambiente além do remanescente da estrela. Isso aumenta o número de fótons de alta energia, mas ao mesmo tempo drena parte da energia dos jatos à medida que são empurrados contra uma pilha maior de material à medida que avançam pelo ambiente.

Eventualmente, esse acúmulo de material atrai energia suficiente para que o número de fótons de alta energia comece a diminuir gradualmente. Essa queda é lenta o suficiente para durar cerca de 11 minutos ou mais.

No caso da supernova BOAT, isso foi seguido por uma queda acentuada nos fótons de alta energia. Acredita-se que isso seja causado pelos jatos ficando mais largos à medida que se afastam de sua fonte, o que significa que o barco estava tão brilhante quanto o observamos porque o núcleo central de seu jato estava apontado diretamente para o solo. O tempo desta descida também fornece algumas informações sobre a largura da aeronave neste momento.

Ainda há muito a aprender sobre esses eventos – ainda não temos certeza de como os buracos negros liberam jatos de material, por exemplo. Mas esses tipos de observações detalhadas podem nos dar uma ideia melhor do tempo e da dinâmica da formação do jato, o que acabará por ajudar a fornecer modelos do que acontece durante a formação do buraco negro e do jato.

Ciência, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (sobre DOIs).