Rajadas rápidas de rádio são explosões breves e brilhantes de ondas de rádio emitidas por objetos extremamente compactos, como estrelas de nêutrons e possivelmente buracos negros. Esses fogos de artifício fugazes duram apenas um milésimo de segundo e podem carregar uma quantidade enorme de energia — o suficiente para ofuscar brevemente galáxias inteiras.

Desde que a primeira rajada rápida de rádio (FRB) foi descoberta em 2007, astrônomos detectaram milhares de FRBs, cujas localizações variam de dentro da nossa própria galáxia até 8 bilhões de anos-luz de distância. Exatamente como essas explosões de rádio cósmicas são lançadas é uma incógnita altamente contestada.

Agora, astrônomos do MIT identificaram as origens de pelo menos uma rajada rápida de rádio usando uma nova técnica que pode fazer o mesmo para outras FRBs. Em seu novo estudo, que aparece hoje no periódico Nature , a equipe se concentrou na FRB 20221022A — uma rajada rápida de rádio descoberta anteriormente que foi detectada em uma galáxia a cerca de 200 milhões de anos-luz de distância.

A equipe se concentrou ainda mais para determinar a localização precisa do sinal de rádio analisando sua “cintilação”, semelhante a como as estrelas cintilam no céu noturno. Os cientistas estudaram mudanças no brilho da FRB e determinaram que a explosão deve ter se originado da vizinhança imediata de sua fonte, em vez de muito mais longe, como alguns modelos previram.

A equipe estima que a FRB 20221022A explodiu de uma região extremamente próxima de uma estrela de nêutrons em rotação, a 10.000 quilômetros de distância, no máximo. Isso é menos do que a distância entre Nova York e Cingapura. A uma distância tão próxima, a explosão provavelmente surgiu da magnetosfera da estrela de nêutrons — uma região altamente magnética imediatamente ao redor da estrela ultracompacta.

As descobertas da equipe fornecem a primeira evidência conclusiva de que uma rápida explosão de rádio pode se originar da magnetosfera, o ambiente altamente magnético que circunda imediatamente um objeto extremamente compacto.

“Nesses ambientes de estrelas de nêutrons, os campos magnéticos estão realmente nos limites do que o universo pode produzir”, diz a autora principal Kenzie Nimmo, uma pós-doutoranda no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “Tem havido muito debate sobre se essa emissão de rádio brilhante poderia escapar desse plasma extremo.”

“Em torno dessas estrelas de nêutrons altamente magnéticas, também conhecidas como magnetares, os átomos não podem existir — eles seriam simplesmente despedaçados pelos campos magnéticos”, diz Kiyoshi Masui, professor associado de física no MIT. “O mais empolgante aqui é que descobrimos que a energia armazenada nesses campos magnéticos, perto da fonte, está se torcendo e se reconfigurando de modo que pode ser liberada como ondas de rádio que podemos ver do outro lado do universo.”

Os coautores do estudo do MIT incluem Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli e Kaitlyn Shin, além de colaboradores de diversas instituições.

As detecções de rajadas rápidas de rádio aumentaram nos últimos anos, devido ao Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). O conjunto de radiotelescópios compreende quatro grandes receptores estacionários, cada um em forma de half-pipe, que são ajustados para detectar emissões de rádio dentro de uma faixa que é altamente sensível a rajadas rápidas de rádio.

Desde 2020, o CHIME detectou milhares de FRBs de todo o universo. Embora os cientistas geralmente concordem que as explosões surgem de objetos extremamente compactos, a física exata que impulsiona as FRBs não é clara. Alguns modelos preveem que explosões rápidas de rádio devem vir da magnetosfera turbulenta imediatamente ao redor de um objeto compacto, enquanto outros preveem que as explosões devem se originar muito mais longe, como parte de uma onda de choque que se propaga para longe do objeto central.

Para distinguir entre os dois cenários e determinar onde surgem as rajadas rápidas de rádio, a equipe considerou a cintilação — o efeito que ocorre quando a luz de uma pequena fonte brilhante, como uma estrela, filtra através de algum meio, como o gás de uma galáxia. À medida que a luz das estrelas filtra através do gás, ela se curva de maneiras que fazem parecer, para um observador distante, como se a estrela estivesse piscando. Quanto menor ou mais distante um objeto estiver, mais ele cintila. A luz de objetos maiores ou mais próximos, como planetas em nosso próprio sistema solar, sofre menos curvatura e, portanto, não parece cintilar.

A equipe raciocinou que se pudessem estimar o grau em que uma FRB cintila, eles poderiam determinar o tamanho relativo da região de onde a FRB se originou. Quanto menor a região, mais perto a explosão estaria de sua fonte, e mais provável é que tenha vindo de um ambiente magneticamente turbulento. Quanto maior a região, mais distante a explosão estaria, dando suporte à ideia de que as FRBs derivam de ondas de choque distantes.

Para testar sua ideia, os pesquisadores analisaram a FRB 20221022A, uma rajada rápida de rádio que foi detectada pelo CHIME em 2022. O sinal dura cerca de dois milissegundos e é uma FRB relativamente comum, em termos de brilho. No entanto, os colaboradores da equipe na Universidade McGill descobriram que a FRB 20221022A exibia uma propriedade de destaque: a luz da rajada era altamente polarizada, com o ângulo de polarização traçando uma curva suave em forma de S. Esse padrão é interpretado como evidência de que o local de emissão da FRB está girando — uma característica observada anteriormente em pulsares, que são estrelas de nêutrons rotativas e altamente magnetizadas.

Ver uma polarização similar em rajadas rápidas de rádio foi a primeira vez, sugerindo que o sinal pode ter surgido da vizinhança próxima de uma estrela de nêutrons. Os resultados da equipe McGill são relatados em um artigo complementar hoje na Nature .

A equipe do MIT percebeu que se o FRB 20221022A se originou perto de uma estrela de nêutrons, eles deveriam ser capazes de provar isso usando cintilação.

Em seu novo estudo, Nimmo e seus colegas analisaram dados do CHIME e observaram variações acentuadas no brilho que sinalizavam cintilação — em outras palavras, a FRB estava piscando. Eles confirmaram que há gás em algum lugar entre o telescópio e a FRB que está dobrando e filtrando as ondas de rádio. A equipe então determinou onde esse gás poderia estar localizado, confirmando que o gás dentro da galáxia hospedeira da FRB era responsável por parte da cintilação observada. Esse gás agiu como uma lente natural, permitindo que os pesquisadores ampliassem o local da FRB e determinassem que a explosão se originou de uma região extremamente pequena, estimada em cerca de 10.000 quilômetros de largura.

“Isso significa que a FRB provavelmente está a centenas de milhares de quilômetros da fonte”, diz Nimmo. “Isso é muito próximo. Para efeito de comparação, esperaríamos que o sinal estivesse a mais de dezenas de milhões de quilômetros de distância se tivesse se originado de uma onda de choque, e não veríamos nenhuma cintilação.”

Os resultados da equipe, combinados com as descobertas da equipe McGill, descartam a possibilidade de que FRB 20221022A tenha surgido dos arredores de um objeto compacto. Em vez disso, os estudos provam pela primeira vez que rajadas rápidas de rádio podem se originar muito perto de uma estrela de nêutrons, em ambientes magnéticos altamente caóticos.

“Essas explosões estão sempre acontecendo, e o CHIME detecta várias por dia”, diz Masui. “Pode haver muita diversidade em como e onde elas ocorrem, e essa técnica de cintilação será realmente útil para ajudar a desembaraçar as várias físicas que impulsionam essas explosões.”

“O padrão traçado pelo ângulo de polarização era tão surpreendentemente similar ao visto em pulsares em nossa própria Via Láctea que houve alguma preocupação inicial de que a fonte não fosse realmente uma FRB, mas um pulsar classificado incorretamente”, diz Ryan Mckinven, coautor do estudo da Universidade McGill. “Felizmente, essas preocupações foram colocadas de lado com a ajuda de dados coletados de um telescópio óptico que confirmou que a FRB se originou em uma galáxia a milhões de anos-luz de distância.”

“A polarimetria é uma das poucas ferramentas que temos para sondar essas fontes distantes”, explica Mckinven. “Este resultado provavelmente inspirará estudos de acompanhamento de comportamento semelhante em outras FRBs e estimulará esforços teóricos para reconciliar as diferenças em seus sinais polarizados.”

Esta pesquisa foi apoiada por várias instituições, incluindo a Fundação Canadense para Inovação, o Instituto Dunlap de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Toronto, o Instituto Canadense de Pesquisa Avançada, o Instituto Espacial Trottier da Universidade McGill e a Universidade da Colúmbia Britânica.