Pesquisadores decifram o código por trás dos planos cósmicos

Fluxos de matéria são observados como jatos em sistemas astronômicos com velocidades variadas, variando de rápido a lento. Jatos que estão na forma de matéria fluindo são comumente observados em sistemas astronômicos com velocidades variadas, variando de rápidas a lentas. As aeronaves mais rápidas são altamente relativísticas e podem atingir velocidades próximas à velocidade da luz. Embora seja um fenômeno amplamente observado, a origem desses jatos e muitas de suas características permanecem um mistério.

Por muito tempo, os especialistas ficaram perplexos com a distribuição bimodal das velocidades das aeronaves, algumas incrivelmente rápidas e outras lentas, e uma notável ausência de velocidades intermediárias. No entanto, pesquisadores da Universidade Bar-Ilan reconsideraram os dados e parece que finalmente resolveram esse mistério desconcertante.

Em muitos sistemas galácticos e extragaláxias diferentes, a emissão de matéria é comumente observada na forma de jatos. A velocidade com que essa cena ocorre varia muito. Além dos jatos relativamente lentos associados a estrelas de nêutrons ou sistemas estelares binários, jatos relativísticos muito rápidos são vistos em velocidades muito próximas à velocidade da luz. Os jatos mais rápidos conhecidos estão associados a um fenômeno conhecido como “explosões de raios gama”.

Este fenômeno é caracterizado por um flash inicial de raios gama, com duração de alguns segundos em que surge uma forte emissão de radiação gama. Segue-se então um “resplendor” que dura muito mais do que horas, dias ou mesmo meses. Durante esta era, a emissão desaparece mais tarde e é observada como comprimentos de onda mais baixos, raios-X, ultravioleta, óptico, infravermelho e frequências de rádio em tempos muito posteriores.

Além da questão de por que os jatos desses objetos aceleram, há um mistério que parece não ter relação com o que acontece durante o período intermediário de centenas a milhares de segundos, durante o qual a emissão desaparece ou permanece constante. Em alguns casos, após algumas dezenas de segundos, a emissão de raios X decai exponencialmente, como seria de se esperar de uma explosão relativística colidindo com a matéria e a radiação presentes no espaço interestelar da galáxia.

No entanto, em cerca de 60% dos casos observados, a emissão visível não desaparece, mas permanece constante. Essa observação sempre foi uma fonte de confusão para os pesquisadores, e nenhuma explicação convincente foi encontrada desde a descoberta desse fenômeno há cerca de 18 anos.

Pesquisadores do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan demonstraram agora que essa emissão visível permanente é uma consequência natural da velocidade do jato, que é muito menor do que geralmente se supunha e preenche a lacuna entre as velocidades medidas de várias fontes. Em outras palavras, a menor velocidade inicial do jato poderia explicar a falta de decaimento e a emissão mais pronunciada e durável.

Os pesquisadores mostraram que os resultados anteriores, dos quais foram deduzidas altas velocidades nesses corpos, não são válidos nesses casos. Ao fazer isso, eles mudaram o modelo e provaram que os aviões se formam na natureza em todas as velocidades. O estudo foi publicado na revista Natureza Comunicações E o editor da revista o escolheu como um dos 50 dos mais importantes artigos publicados recentemente.

Uma das principais questões em aberto no estudo das explosões de raios gama é por que, em uma proporção tão grande de casos, os raios X, que podem ser vistos por vários dias, não desaparecem por muito tempo. Para responder a essa pergunta, os pesquisadores começaram a mapear cuidadosamente os dados, que eram numerosos, mas dispersos e “ruidosos”.

Após uma pesquisa exaustiva na literatura, eles criaram uma amostra de dados de alta qualidade. Depois de examinar as explicações para o fenômeno na literatura existente, eles descobriram que todos os modelos atuais, sem exceção, fazem suposições adicionais que não são suportadas pelos dados. O mais importante é que nenhum dos modelos forneceu uma explicação convincente para os dados limpos. Assim, os pesquisadores voltaram ao modelo básico e tentaram entender qual das suposições básicas está incorreta.

Eles descobriram que mudar apenas uma suposição, sobre a velocidade inicial dos aviões, era suficiente para explicar os dados. Os pesquisadores prosseguiram e examinaram os dados que levaram outros astrofísicos a concluir que os jatos devem ser altamente relativísticos (ou seja, viajando muito perto da velocidade da luz = extremamente rápido), e descobriram, para sua surpresa e deleite, que nenhum dos jatos devem ser altamente relativísticos. Os argumentos encontrados foram válidos nos casos estudados. A partir daí, eles concluíram rapidamente que provavelmente estavam na direção certa.

O professor Assaf Peer, que conduziu a parte teórica desta pesquisa, se descreve como um teórico que gosta de trabalhar com dados.

“Os sistemas astrofísicos são geralmente muito complexos e os modelos teóricos, que são de natureza mais simples, muitas vezes perdem pontos-chave”, explica ele. “Em muitos casos, um exame minucioso dos dados, como fizemos aqui, mostra que as ideias existentes simplesmente não funcionam. Foi isso que nos levou a ter novas ideias. Às vezes, a ideia mais simples e menos complexa é suficiente.”

Os parceiros do professor Beer nesta pesquisa são o primeiro autor do estudo, Dr. Hussein Direli Beg, do Bar-Ilan Research Group, e o professor Felix Reid, do KTH Royal Institute of Technology em Estocolmo. Enquanto Beer se concentrava na teoria, seus colaboradores se concentravam na análise dos dados que motivavam e sustentavam a teoria que ele propunha.

“Levamos algum tempo para desenvolver um entendimento e, quando percebi que havia um padrão no todo que precisava mudar, tudo funcionou como um quebra-cabeça”, diz o professor Beer. “Tanto que, a partir de algum momento, sempre que abordávamos um novo problema em potencial, ficava claro para mim que os dados estariam a nosso favor e, de fato, estavam.”

A pesquisa astrofísica é, por sua própria natureza, pesquisa fundamental. Se os pesquisadores estiverem realmente corretos, as descobertas têm implicações de longo alcance que podem levar a uma mudança de paradigma no campo, bem como na compreensão dos processos físicos que produzem jatos. É importante notar que as origens deste fenômeno ainda não são totalmente conhecidas, mas está claramente relacionado ao colapso de uma estrela (ou par de estrelas) em[{” attribute=””>black hole. The research results are very important in understanding these mechanisms, as well as the type of stars that end their lives in a way that produces strong gamma radiation.

“Scientific research is fascinating. New ideas are constantly born and tested. Since the data are often inconclusive, people often publish their ideas and move on,” says Prof. Pe’er. “Here was a unique case, in which, after examining many ideas, I suddenly realized that the explanation could be very simple. After I proposed the explanation, we checked it again and again against the existing data, and it passed test after test. So sometimes, the simplest explanation is also the most successful one.”

Reference: “A wind environment and Lorentz factors of tens explain gamma-ray bursts X-ray plateau” by Hüsne Dereli-Bégué, Asaf Pe’er, Felix Ryde, Samantha R. Oates, Bing Zhang and Maria G. Dainotti, 24 September 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-32881-1