Tecnologia Científica

Uma explosão magnífica de dentro de nossa galáxia
O projeto STARE2 da Caltech ajuda a identificar a causa de explosões de rádio rápidas e misteriosas
Por Whitney Clavin - 04/11/2020


Chris Bochenek é visto aqui ao lado de um receptor STARE2 nesta foto composta. O fundo mostra uma visão de olho de peixe do céu noturno visto do Observatório de Rádio Owens Valley da Caltech, onde um dos três receptores STARE2 está localizado. As três faixas coloridas ilustram como os dados de cada um dos três receptores foram usados ​​para triangular aproximadamente a poderosa explosão de rádio vista em 28 de abril de 2020.
Para cada par de receptores, pequenas diferenças de tempo na chegada do sinal foram usadas para mapear as bandas de localização; onde as bandas se sobrepõem é a região aproximada de onde o sinal se originou. As observações com vários outros telescópios ajudaram a apontar a localização da rápida explosão de rádio em um magnetar, cuja localização está marcada com um círculo branco. Crédito: Caltech / R. Ferida (IPAC)

Um conjunto de antenas de rádio, incluindo aquelas que compõem o projeto STARE2 (Pesquisa para Emissão de Rádio Astronômica Transiente 2) do Caltech, junto com outros observatórios terrestres e espaciais, capturaram evidências esmagadoras para ajudar a desvendar a misteriosa causa das explosões cósmicas conhecidas como rápidas rajadas de rádio, ou FRBs. Esses flashes de rádio ultrarrápidos, descobertos pela primeira vez em 2007, são conhecidos por se originarem de galáxias distantes , mas até agora, ninguém poderia dizer com certeza o que os estava causando. Em uma série de estudos publicados na revista Nature , os pesquisadores demonstram que a resposta ao enigma de uma década provavelmente envolve um tipo de estrela magnética morta chamada magnetar.

Os magnetares são remanescentes estelares giratórios, remanescentes da explosão de estrelas massivas. O que faz os magnetares se destacarem de outras estrelas mortas são seus campos magnéticos extremos: o campo magnético de um magnetar é mais de 100 trilhões de vezes mais forte que o campo magnético da própria Terra. Os magnetares foram identificados anteriormente como possíveis fontes de FRBs, mas a evidência para esta teoria era limitada.

Com essas últimas descobertas, os astrônomos finalmente pegaram um magnetar em flagrante, enquanto ele disparava uma intensa explosão de rádio em nosso próprio quintal cósmico. O FRB foi detectado pela primeira vez em 28 de abril de 2020, pelo Experimento Canadense de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio, ou CHIME, localizado no sudoeste do Canadá. Embora o CHIME tenha captado a explosão em sua visão periférica, fora de onde o telescópio é mais sensível, estava claro que o sinal vinha de nossa própria galáxia, a Via Láctea (antes de agora, todos os FRBs observados se originaram de fora de nossa galáxia). A equipe CHIME divulgou um aviso sobre a detecção para a comunidade astronômica, o que levou a equipe Caltech STARE2 a acelerar sua inspeção de rotina de eventos candidatos detectados no início do dia.

"Quando vi os dados, fiquei basicamente paralisado", disse Christopher Bochenek (MS '18), autor principal de um novo estudo da Nature sobre os resultados do STARE2, e um estudante graduado da Caltech que trabalha com Vikram Ravi , professor assistente de astronomia da Caltech . "Nas frequências de rádio que observamos com STARE2, o sinal era muito mais forte do que o relatado por CHIME. Pegamos o FRB de frente." Na verdade, esse evento equivale à explosão de rádio mais energética já registrada de nossa galáxia, disparando tanta energia quanto o sol produz em cerca de 30 segundos, assumindo a distância estimada do magnetar de cerca de 30.000 anos-luz.

STARE2, um projeto liderado pelo Caltech com financiamento do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA e do Caltech, consiste em três receptores de rádio, cada um do tamanho de um grande balde. Eles estão localizados no Owens Valley Radio Observatory da Caltech; o Goldstone Deep Space Communications Complex operado pela JPL; e perto da cidade de Delta, Utah. STARE2 não é tão sensível quanto CHIME, mas tem um campo de visão mais amplo que cobre basicamente todo o céu visível, e observa em frequências de rádio que são duas vezes mais altas do que aquelas vistas por CHIME.

“Fiquei muito surpreso quando Chris nos contou a novidade”, disse Ravi. "Até esta explosão, o STARE2 estava operando por quase 450 dias sem detectar nada além do sol. Este era um projeto difícil, mas Chris trabalhou incansavelmente para montá-lo e viajou para todos os locais para configurar as antenas. é uma grande recompensa para um estudante de pós-graduação. Caltech é um ótimo lugar para estudantes ambiciosos como Chris moldarem seus próprios projetos. "

Além das ondas de rádio, outros telescópios no espaço detectaram radiação eletromagnética vinda da mesma área do céu, especificamente de um magnetar chamado SGR 1935 + 2154 (SGR 1935 para breve). Os observatórios Swift e Fermi da NASA, por exemplo, que observam raios-X e raios gama, respectivamente, captaram ruídos do magnetar em 27 de abril, um dia antes da grande explosão de rádio. Outros telescópios observaram rajadas de raios X simultaneamente com a rajada de rádio. Entre eles estão o INTEGRAL da Agência Espacial Européia (Laboratório de Astrofísica de Raios Gama Internacional); o satélite de raios-X Huiyan da Administração Espacial Nacional da China; o instrumento russo Konus na missão Wind da NASA; e a missão AGILE (Astro-Rivelatore Gamma a Immagini Leggero) da Agência Espacial Italiana. Telescópios adicionais também observaram a atividade do magnetar antes e depois do estouro do rádio, ajudando a caracterizar o evento. Juntos, todos os observatórios finalmente ajudaram a localizar o FRB capturado por CHIME e STARE2 em um magnetar.

Um tiro longo

O projeto STARE2 foi iniciado por Shri Kulkarni , o professor George Ellery Hale de Astronomia e Ciências Planetárias da Caltech, e foi Bochenek quem colocou o projeto em funcionamento. Com a ajuda do co-autor Konstantin Belov do JPL e Dan McKenna, um engenheiro de instrumentos da Caltech, ele ajudou a encontrar os três locais para as antenas e a configurá-los. Ele até testou um escudo para o instrumento que é projetado para bloquear ondas de rádio indesejadas com técnicas improvisadas, como o uso de seu Prius; como outros carros, um Prius emite ondas de rádio. Além disso, a equipe usou bandejas de bolo para ajudar a ajustar a sensibilidade do instrumento. “O que fizemos é um pouco estranho para a radioastronomia moderna”, diz Bochenek.

Ao contrário do CHIME e de outros radiotelescópios com antenas grandes, as antenas STARE2 podem ver todo o céu de uma vez. O que perdem em sensibilidade, ganham em campo de visão. "STARE2 funciona mais como uma antena de carro do que as antenas de rádio que são normalmente usadas em astronomia", diz Bochenek.

A equipe escolheu três locais diferentes para as antenas para ajudar a estabelecer se qualquer sinal de rádio era real. Como há muito ruído de fundo nas bandas de rádio, detectar um sinal ao mesmo tempo em todos os três locais ajuda a confirmar que o sinal veio do espaço. Além disso, pequenas diferenças de tempo no momento em que os receptores captam o sinal ajudam a localizar aproximadamente o sinal no céu.

“Estávamos todos céticos de que isso funcionasse”, diz Ravi. "Embora estivéssemos muito confiantes no hardware, que foi desenvolvido para o projeto de detecção FRB Deep Synoptic Array, demos ao STARE2 menos de 10 por cento de chance de realmente detectar uma explosão. As observações nos próximos anos com o STARE2 e seus sucessores nos dirão exatamente como tivemos sorte. "

Os magnetares são a resposta para o enigma dos FRBs?

Os dados do STARE2 ajudaram a estabelecer que a explosão de rádio induzida por magnetar vindo de nossa própria galáxia é semelhante aos FRBs observados em galáxias remotas. De acordo com Ravi, esses dados, junto com os dados do CHIME e de outros telescópios, fornecem fortes evidências de que não apenas este FRB, mas muitos FRBs provavelmente vêm de magnetares.

"STARE2 foi capaz de determinar sem ambigüidade o brilho da explosão rápida de rádio porque captamos de frente", diz Ravi. "Descobrimos que o brilho era comparável ao de rajadas rápidas de rádio em distâncias extragalácticas. Como estivemos examinando grande parte do céu por quase 450 dias, também pudemos mostrar que a taxa de eventos como essa rajada rápida de rádio é consistente com observações de rajadas de rádio rápidas mais distantes. "

Além de mostrar o que causa FRBs, as novas observações de STARE2 e outros sugerem como os bursts ocorrem. De acordo com os cientistas, a coleta de dados através do espectro eletromagnético apóia a ideia de que as explosões na superfície de um magnetar, semelhantes às que irrompem da superfície do sol, geram as explosões.

"É surreal. Nunca pensei que o STARE2 funcionaria tão bem", diz Bochenek. "Sentimo-nos afortunados por ter visto um evento tão magnífico durante a vida deste projeto."

 

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