FRB 121102: No supernova-like ejecta or magnetar power, hinting at a binary WD merger

Os surtos de rádio rápidos (fast radio bursts) estão entre os sinais mais misteriosos do universo. São flashes breves e intensos de ondas de rádio que duram apenas um milésimo de segundo, mas que liberam tanta energia nesse instante quanto o Sol libera em um dia inteiro. Durante anos, astrônomos têm tentado descobrir o que cria esses flashes e de onde eles vêm. Embora a maioria desses surtos ocorra apenas uma vez, um pequeno número deles se repete, brilhando repetidamente do mesmo ponto no céu. Uma dessas fontes repetitivas, conhecida como FRB 121102, tem sido observada mais de perto do que qualquer outra. Ela está situada dentro de uma galáxia pequena e distante e é cercada por uma nuvem persistente e brilhante de emissão de rádio. Esse brilho constante, que vem se expandindo há décadas, detém a chave para entender o evento violento que criou o surto.

Uma equipe de pesquisadores utilizou agora a história deste sinal para reescrever a história de sua origem. Ao rastrear como as ondas de rádio dos surtos mudaram enquanto viajavam através da nuvem circundante, os cientistas foram capazes de medir a velocidade e a massa do material que está sendo empurrado para fora. A análise deles revela que a nuvem está se movendo muito lentamente para ser o resultado de uma explosão de supernova típica, a morte violenta de uma estrela massiva que geralmente lança material para fora a milhares de quilômetros por segundo. Em vez disso, os dados sugerem que a nuvem foi ejetada suavemente, talvez a partir de uma fusão de duas estrelas densas e mortas, muito antes do motor que alimenta os surtos ser ligado. Essa descoberta descarta a teoria mais popular para este objeto e aponta para um evento cósmico muito mais silencioso e antigo.

A história começa com a natureza do próprio sinal. Quando um surto de rádio rápido viaja pelo espaço, ele passa por nuvens de partículas carregadas chamadas plasma. Essas partículas retardam levemente as ondas de rádio, e a quantidade de lentidão depende de quantas partículas a onda precisa atravessar. Os astrônomos chamam essa medição de medida de dispersão (dispersion measure). Ao observar o FRB 121102 ao longo de vários anos, os pesquisadores notaram que essa medição não era constante. Ela subiu continuamente por um tempo e depois começou a cair. Este aumento e queda não são ruído aleatório; é um registro direto da onda de choque criada pelo motor central empurrando através do gás circundante. À medida que a onda de choque avança, ela comprime e ioniza o gás frio, aumentando o número de partículas que as ondas de rádio devem atravessar. Uma vez que a onda de choque perfura a borda da nuvem de gás, a nuvem começa a se expandir e a rarefeita, fazendo com que o número de partículas caia e o sinal se torne mais claro.

Os pesquisadores usaram essas mudanças para calcular as propriedades físicas da nuvem. Eles descobriram que o gás está se movendo a uma velocidade de apenas algumas centenas de quilômetros por segundo. Este é um detalhe crucial. Se a nuvem tivesse sido criada por uma supernova padrão, o gás estaria correndo para fora a velocidades de aproximadamente cinco mil quilômetros por segundo. O fato de o gás estar se movendo tão lentamente significa que ele não foi lançado por uma explosão estelar massiva. Além disso, a energia total contida na nuvem é muito inferior ao que uma supernova produziria. Os cientistas também determinaram que a nuvem é bastante massiva, contendo entre um terço e três vezes a massa do nosso Sol, mas está espalhada por uma distância vasta, aproximadamente de três a dez vezes a distância do Sol até a estrela mais próxima.

Essas restrições físicas forçam um repensar da história do objeto. A velocidade lenta do gás implica que ele foi ejetado muito antes do motor central começar a disparar. Os pesquisadores calcularam que o gás provavelmente foi lançado mais de mil anos antes dos surtos de rádio começarem. Isso cria uma linha do tempo específica: primeiro, uma ejeção lenta de gás; depois, um longo período de quietude; e, finalmente, a ignição do motor que alimenta os surtos. Esta sequência não se ajusta ao modelo de uma estrela massiva colapsando e explodindo, o que ejetaria gás e criaria o motor ao mesmo tempo. Também descarta a ideia de que o objeto central seja uma estrela de nêutrons altamente magnetizada, ou magnetar, alimentada por seu intenso campo magnético. A energia necessária para alimentar o brilho de rádio é grande demais para que um campo magnético a forneça durante um período tão longo sem se dissipar.

Em vez disso, os dados apontam para uma história de origem diferente envolvendo anãs brancas. As anãs brancas são os núcleos densos e do tamanho da Terra deixados após estrelas como o nosso Sol morrerem. Se duas anãs brancas orbitarem uma à outra e eventualmente colidirem, elas podem se fundir em um único objeto instável. Neste cenário, a fusão ejetaria gentilmente uma camada de gás a velocidades baixas, criando a nuvem que vemos hoje. O objeto fundido então ficaria quieto por mil anos, esfriando e evoluindo, antes de colapsar em uma estrela de nêutrons que gira rapidamente. Esta nova estrela de nêutrons giraria rápido o suficiente para gerar a poderosa energia necessária para criar os surtos de rádio e o brilho persistente. Esta linha do tempo se ajusta perfeitamente às observações: o gás lento foi ejetado primeiro, e o motor começou muito mais tarde.

Os pesquisadores também consideraram outras possibilidades, como uma estrela massiva que falhou em explodir adequadamente ou um sistema binário onde uma estrela companheira espiralou para dentro de uma estrela gigante. Embora esses cenários pudessem teoricamente produzir gás de movimento lento, eles têm dificuldade em explicar a cronologia específica e a falta de hidrogênio no gás. O modelo de fusão de anãs brancas, no entanto, produz naturalmente uma camada de gás que é rica em elementos pesados, mas pobre em hidrogênio, o que se alinha com as pistas químicas encontradas nos dados. O estudo não afirma ter resolvido o mistério de todos os surtos de rádio rápidos, pois muitos deles podem ter origens diferentes. No entanto, para este objeto específico, a evidência sugere fortemente que ele é o resultado de uma fusão lenta e antiga, em vez de uma explosão recente e violenta.

Este trabalho demonstra como uma medição simples de atraso de sinal pode revelar a história profunda de um objeto cósmico. Ao tratar as ondas de rádio como uma sonda, os cientistas foram capazes de mapear a velocidade, a massa e a idade do material que envolve o surto. Eles mostraram que o universo pode produzir fontes de energia extrema através de processos lentos e silenciosos que se desenrolam ao longo de séculos, não apenas através da violência espetacular das supernovas. As descobertas sugerem que os surtos repetitivos que vemos são provavelmente alimentados por uma jovem e rapidamente giratória estrela de nêutrons que nasceu de uma fusão de duas estrelas mortas, um cenário que desafia a visão tradicional de como esses objetos energéticos são formados. À medida que os astrônomos continuam a monitorar esta fonte e outras como ela, eles poderão testar essas ideias mais a fundo, procurando pelas impressões digitais químicas específicas e padrões de tempo que apenas este tipo de evento cósmico pode produzir.