AT 2020afjz (TSS2020a): The First Fast Extragalactic Transient Discovered by TESS

O universo é preenchido por explosões cósmicas que acontecem num piscar de olhos, mas, durante décadas, os nossos telescópios foram demasiado lentos para as apanhar em flagrante. Embora os astrónomos estudem há muito tempo supernovas e outras mortes estelares que se desenrolam ao longo de dias ou semanas, os eventos mais rápidos — aqueles que brilham e desaparecem em meras horas — permaneceram amplamente invisíveis. Estes momentos fugazes são alimentados por uma física extrema, envolvendo frequentemente jatos de matéria que se movem a quase a velocidade da luz, mas sem um telescópio que possa observar o céu continuamente e tirar fotografias muito rapidamente, estes eventos passam despercebidos. O desafio tem sido encontrar uma forma de detetar estes flashes de uma hora antes que desapareçam, uma tarefa que exige uma combinação única de visão ampla e atenção rápida.

Uma equipa de astrónomos capturou agora um destes eventos elusivos, marcando uma mudança significativa na forma como observamos o cosmos. Utilizando dados do Transiting Exoplanet Survey Satellite, conhecido como TESS, os investigadores descobriram um brilho intenso de luz numa galáxia distante que surgiu, atingiu o pico e desapareceu inteiramente numa única noite. Este evento, designado AT 2020afjz, é a primeira vez que uma explosão extragaláctica tão rápida é descoberta sem um aviso prévio de um detetor de raios gama. Em vez de esperar que um satélite acione um alerta, a equipa utilizou um novo pipeline de software para filtrar os dados do TESS e encontrar o flash por conta própria. O resultado é um registo detalhado de uma explosão que durou apenas cerca de duas horas e meia no seu ponto mais brilhante, oferecendo um olhar raro e de alta definição sobre o nascimento e a morte de um jato relativístico.

A descoberta começou em novembro de 2020, quando o satélite TESS estava a varrer uma zona do céu no hemisfério sul. O TESS foi concebido para procurar planetes ao observar estrelas em busca de minúsculas quedas de brilho, mas as suas câmaras também são capazes de captar aumentos súbitos de luminosidade. Os investigadores desenvolveram um sistema para processar as imagens de quadro total do satélite, procurando qualquer coisa que mudasse rapidamente. Encontraram uma fonte que subiu para o seu pico de brilho em cerca de uma hora e depois desapareceu, permanecendo visível durante aproximadamente dez horas antes de sumir no fundo. A curva de luz, que rastreia o brilho ao longo do tempo, mostrou uma subida lenta e um declínio rápido, um padrão que difere do comportamento típico da maioria das explosões cósmicas conhecidas.

Para compreender o que causou este flash, a equipa teve primeiro de localizar a sua origem. Ao comparar a posição do flash com imagens profundas de outros telescópios, localizaram a sua origem numa galáxia ténue e distante. Esta galáxia faz parte de um par de galáxias em interação, o que significa que as duas estão próximas o suficiente para se puxarem mutuamente através da gravidade. O flash ocorreu perto de uma destas galáxias, que parece ser um pequeno sistema de formação estelar. A distância até esta galáxia é vasta; a luz que vemos partiu dela quando o universo era muito mais jovem, correspondendo aproximadamente a um desvio para o vermelho (redshift) de 0,67. O facto de o evento ter ocorrido numa galáxia onde as estrelas ainda estão a nascer apoia a ideia de que foi causado pela morte de uma estrela massiva, um cenário que frequentemente leva a poderosos jatos de energia.

A natureza da explosão em si permanece um enigma com duas soluções possíveis, ambas que se ajustam igualmente bem aos dados. Os investigadores modelaram a curva de luz utilizando a física que descreve como os jatos de matéria interagem com o espaço ao seu redor. Descobriram que o evento poderia ser explicado de duas formas. A primeira possibilidade é que a explosão tenha sido um "afterglow órfão", significando que o jato foi disparado numa direção que não apontava diretamente para a Terra. Neste cenário, estamos a ver o lado do jato e não o seu núcleo, o que explicaria por que a luz subiu lentamente e por que nenhum surto de raios gama foi detetado. A segunda possibilidade é que o jato estava apontado para nós, mas era "sujo", significando que estava entupido com demasiada matéria para produzir um brilho intenso de raios gama. Neste caso, a explosão seria uma "bola de fogo suja", onde a energia é libertada lentamente como um brilho óptico intenso sem a assinatura habitual de alta energia.

Uma peça crítica do puzzle está em falta: a equipa não consegue confirmar se raios gama foram realmente emitidos. O satélite concebido para detetar estes surtos de alta energia, o Fermi-GBM, estava bloqueado pela Terra no momento exato em que a explosão ocorreu. Devido a esta lacuna de cobertura, os investigadores não podem dizer de forma definitiva se o evento foi um surto de raios gama que aconteceu por acaso escondido de vista, ou um surto de raios gama que nunca aconteceu de todo. Esta incerteza significa que não podem escolher entre as explicações do "órfão" e da "bola de fogo suja". No entanto, ambos os cenários apontam para a mesma conclusão: o evento foi impulsionado por um motor relativístico, provavelmente o colapso de uma estrela massiva, mas comportou-se de forma diferente das explosões típicas que estamos habituados a ver.

A significância desta descoberta estende-se para além do evento específico. Prova que o TESS, um telescópio construído primordialmente para encontrar planetes, também pode servir como uma ferramenta poderosa para encontrar explosões rápidas e raras no universo. Ao utilizar o novo pipeline de software para analisar os dados do satélite, a equipa demonstrou que podemos agora detetar estes transientes de uma hora sem necessitar de um gatilho de raios gama. Isto abre a porta para a descoberta de uma população inteira de eventos cósmicos que têm estado escondidos à vista de todos. Embora a equipa ainda não consiga dizer exatamente quantos destes eventos existem, a descoberta do AT 2020afjz sugere que eles estão lá fora, à espera de serem encontrados. À medida que o software continua a varrer mais dados do TESS, os astrónomos esperam descobrir mais destes momentos fugazes, proporcionando uma imagem mais clara da física mais extrema do universo.

O estudo também destaca a importância do tempo e da precisão. O flash durou apenas 2,4 horas acima de metade do seu brilho máximo, uma janela tão curta que teria sido perdida por telescópios que tiram fotografias apenas uma vez por dia. A capacidade de resolver a subida e a queda do evento com tal detalhe permitiu aos investigadores modelar a física da explosão com um elevado grau de confiança. Determinaram que a explosão ocorreu num ambiente denso, provavelmente uma nuvem de gás e poeira, o que influenciou a forma como a luz viajou até nós. Esta densidade sugere que a explosão aconteceu numa região onde as estrelas estão a formar-se ativamente, consistente com a localização da galáxia hospedeira.

Apesar da falta de dados de raios gama, o evento fornece um ponto de referência para compreender estes transientes rápidos. Mostra que nem todas as explosões relativísticas parecem iguais, e que algumas podem ser detetadas puramente através da sua luz óptica. Os investigadores planeiam aplicar os seus métodos a dados futuros do TESS, esperando encontrar mais exemplos e, eventualmente, montar a história completa destes eventos silenciosos em raios gama. Por agora, o AT 2020afjz permanece como um testemunho do poder da observação persistente e do valor de olhar para o céu com novos olhos, revelando um canto oculto do universo que estava anteriormente fora do nosso alcance.