Imagem da galáxia hospedeira do Fast Radio Burst (FRB) 180916.J0158 + 65, como visto no telescópio Gemini-North. A posição do FRB está marcada. A inserção é um zoom de maior contraste da região de formação de estrelas que contém o FRB (marcado pelo círculo vermelho).
© B. Marcote e outros, Nature 2020
A localização de uma nova fonte recorrente de flashes de rádio aprofunda o mistério de suas origens
O radiotelescópio Effelsberg de 100 m participou da Rede Européia VLBI (EVN) para observar um FRB (Fast Radio Burst) repetitivo e ajudou a localizar o FRB em uma galáxia espiral semelhante à nossa. Crucial para este trabalho foi a sensibilidade do telescópio Effelsberg e seu instrumento pulsar flexível que ajudou na rápida localização do rádio. Esse FRB é o mais próximo da Terra já localizado e foi encontrado em um ambiente radicalmente diferente dos estudos anteriores. A descoberta, mais uma vez, muda as suposições dos pesquisadores sobre as origens desses misteriosos eventos extragaláticos.
Os resultados são relatados na edição atual da revista Nature por uma equipe internacional de cientistas, incluindo Ramesh Karuppusamy, do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha.
Imagem da galáxia hospedeira do Fast Radio Burst (FRB) 180916.J0158 + 65, como visto no telescópio Gemini-North. A posição do FRB está marcada. A inserção é um zoom de maior contraste da região de formação de estrelas que contém o FRB (marcado pelo círculo vermelho).
Um dos maiores mistérios da astronomia atualmente é a origem de breves e dramáticas explosões de luz de rádio vistas em todo o universo, conhecidas como Fast Radio Bursts ou FRBs. Embora durem apenas um milésimo de segundo, agora existem centenas de registros dessas fontes enigmáticas. No entanto, a partir desses registros, a localização exata é conhecida por apenas quatro FRBs - eles são considerados 'localizados'.
Em 2016, observou-se que uma dessas quatro fontes se repete, com rajadas originárias da mesma região no céu de uma maneira não previsível. Isso resultou em pesquisadores fazendo distinções entre FRBs, onde apenas uma única rajada de luz foi observada ('não repetitiva') e aquelas onde foram observadas várias rajadas de luz ('repetidas').
“Os vários flashes que testemunhamos no primeiro FRB repetitivo surgiram de condições muito particulares e extremas dentro de uma galáxia muito pequena (anã)”, diz Benito Marcote, do Joint Institute for VLBI ERIC, principal autor do estudo atual. “Essa descoberta representou a primeira peça do quebra-cabeça, mas também levantou mais questões do que resolveu, como se havia uma diferença fundamental entre FRBs repetitivos e não repetitivos. Agora, localizamos um segundo FRB repetitivo, que desafia nossas idéias anteriores sobre qual poderia ser a fonte dessas explosões. ”
Em 19 de junho de 2019, oito telescópios da Rede Europeia VLBI (EVN) observaram simultaneamente uma fonte de rádio conhecida como FRB 180916.J0158 + 65. Essa fonte foi descoberta originalmente em 2018 pelo telescópio CHIME no Canadá, o que permitiu à equipe realizar uma observação de alta resolução com o EVN na direção do FRB 180916.J0158 + 65. Durante cinco horas de observações, os pesquisadores detectaram quatro explosões, cada uma com duração inferior a dois milésimos de segundo. A resolução alcançada através da combinação dos telescópios em todo o mundo, usando uma técnica conhecida como Very Long Baseline Interferometry (VLBI), significava que as explosões poderiam ser localizadas com precisão em uma região de aproximadamente apenas sete anos-luz de diâmetro. Essa localização é comparável a um indivíduo na Terra capaz de distinguir uma pessoa na Lua.
O radiotelescópio Effelsberg de 100 m do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) desempenhou um papel crucial nessas observações de duas maneiras. Com os instrumentos flexíveis deste telescópio, era possível gravar dados passíveis de identificação rápida de rajadas de rádio e uma forma de dados adequada para geração de imagens de rádio de alta resolução. Em segundo lugar, a grande área de coleta do telescópio o torna um elemento indispensável nas observações interferométricas coordenadas de fontes fracas como este FRB.
Com a posição precisa da fonte de rádio, a equipe foi capaz de realizar observações com um dos maiores telescópios ópticos do mundo, o Gemini North, de 8 m, em Mauna Kea, no Havaí. O exame do ambiente ao redor da fonte revelou que as explosões se originaram de uma galáxia espiral chamada SDSS J015800.28 + 654253.0, localizada a meio bilhão de anos-luz da Terra. As explosões vêm de uma região daquela galáxia onde a formação estelar é proeminente.
“A localização encontrada é radicalmente diferente da FRB de repetição anteriormente localizada, mas também diferente de todas as FRBs estudadas anteriormente”, explica Kenzie Nimmo, aluna de doutorado da Universidade de Amsterdã. “As diferenças entre explosões rápidas e repetidas de rádio são, portanto, menos claras e achamos que esses eventos podem não estar relacionados a um tipo específico de galáxia ou ambiente. Pode ser que os FRBs sejam produzidos em um grande zoológico de locais em todo o Universo e apenas exijam que algumas condições específicas sejam visíveis. ”
"Com a caracterização dessa fonte, o argumento contra as emissões do tipo pulsar como origem para repetir FRBs está ganhando força", diz Ramesh Karuppusamy, do MPIfR, co-autor do estudo. “Estamos à beira de mais dessas localizações provocadas pelos próximos telescópios mais recentes. Isso finalmente nos permitirá estabelecer a verdadeira natureza dessas fontes ”, acrescenta.
Enquanto o estudo atual põe em dúvida as suposições anteriores, esse FRB é o mais próximo da Terra já localizado, permitindo que os astrônomos estudem esses eventos com detalhes incomparáveis.
“Esperamos que estudos continuados revelem as condições que resultam na produção desses flashes misteriosos. Nosso objetivo é localizar com precisão mais FRBs e, finalmente, entender sua origem ”, conclui Jason Hessels, autor correspondente do estudo, do Instituto Holandês de Radioastronomia (ASTRON) e da Universidade de Amsterdã.
Mapa dos telescópios da Rede Européia VLBI (EVN) usados na observação, mostrando as posições dos oito radiotelescópios participantes e também do JIVE na Holanda.
© Paul Boven (JIVE). Imagem de satélite: Blue Marble Next Generation, cortesia da NASA Visible Earth (visibleearth.nasa.gov).
Por que a localização do Fast Radio Burst é importante
Embora o Fast Radio Bursts (FRBs) seja um mistério próprio, seu estudo poderia aproximar os astrônomos da compreensão do próprio Universo. Na cosmologia moderna, uma questão importante é como as estruturas em todas as escalas foram formadas. Existem simulações computacionalmente caras para abordar essas questões, mas seus resultados dependem fortemente das condições assumidas no início do Universo. Os resultados dessas simulações precisam ser comparados com as observações reais para determinar se as simulações fornecem respostas precisas. Isso é problemático, pois a maioria da matéria distribuída nas galáxias é invisível.
Os FRBs, no entanto, podem oferecer uma solução elegante para esse problema no futuro. Os pulsos curtos dos FRBs são "dispersos"; portanto, em comprimentos de onda mais longos, o pulso chega à Terra um pouco mais tarde do que em comprimentos de onda mais curtos. Esse atraso de tempo pode ser medido com muita precisão e é uma estimativa indireta da quantidade de material entre a fonte e a Terra. Se milhares de FRBs forem encontrados, em todas as direções, será possível mapear a distribuição da matéria pelo universo. No entanto, para obter a verdadeira distribuição tridimensional da matéria no espaço, os astrônomos precisam conhecer também a distância de cada FRB da Terra.
Como localizar um Fast Radio Burst
Na maioria das pesquisas por FRBs, um único radiotelescópio é usado para identificar a região aproximada da qual o FRB é originário. No entanto, o uso de observações de rádio de resolução muito alta por meio da interferometria de linha de base muito longa (VLBI) adota uma nova abordagem.
Atualmente, a Rede Européia de VLBI (EVN) é a única matriz de VLBI sensível o suficiente para estudar FRBs. Ao fazer isso, os astrônomos são capazes de determinar a galáxia hospedeira e o ambiente local imediato da FRB. Ao determinar a galáxia hospedeira, os astrônomos podem usar observações ópticas para analisar a luz proveniente da galáxia e isso pode ser usado para determinar sua distância da Terra. Estudar os ambientes em que ocorrem FRBs é a chave para entender como essas explosões podem ser produzidas e quais objetos extragaláticos estão associados a elas.
“Enquanto continuamos a desvendar o mistério dos FRBs, os astrônomos precisam poder estudar essas fontes com detalhes incríveis. Atualmente, a sensibilidade combinada dos telescópios no EVN oferece uma oportunidade única de observar esses eventos e esperamos que observações contínuas contribuam para nosso entendimento dessas fontes enigmáticas. ”Diz Francisco Colomer, diretor do Instituto Conjunto do VLBI ERIC.
Institutos e telescópios envolvidos
Institutos envolvidos As observações foram realizadas com a Rede Europeia de Interferometria de Linha de Base Muito Longa (EVN). O EVN é o arranjo de interferometria de linha de base muito longa (VLBI) mais sensível do mundo, que permite que os pesquisadores realizem observações radioastronômicas únicas e de alta resolução de fontes de rádio cósmicas. Os dados do EVN são processados no Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE) - uma infraestrutura de pesquisa internacional sediada na Holanda, que também fornece suporte, realiza pesquisas de ponta e encaminha o desenvolvimento técnico no campo da radioastronomia.
Um total de oito antenas do EVN estavam envolvidas nessa observação: Jodrell Bank Mark2 de 25x38 m, Universidade de Manchester (Reino Unido), prato único Westerbork de 25 m, ASTRON (Holanda), Effelsberg, 100 m, Effelsberg, Instituto Max Planck para Radioastronomia (Alemanha), 32 m Medicina, Instituto Nacional de Astrofísica (Itália), 25 m Onsala, Observatório Espacial Onsala (Suécia), 32 m Toruń, Universidade Nicolaus Copernicus (Polônia), 32 m Irbene, Ventspils Centro Internacional de Radioastronomia (Letônia) e 65m Tianma, Academia Chinesa de Ciências (China).
As observações ópticas de acompanhamento foram realizadas usando o Gemini North de 8,1 m, o Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia Ótica Infravermelha da National Science Foundation e a Associação de Universidades para Pesquisa em Astronomia (EUA).
Os autores do presente estudo compreendem B. Marcote, K. Nimmo, JWT Hessels, SP Tendulkar, CG Bassa, Z. Paragi, A. Keimpema, M. Bhardwaj, R. Karuppusamy, VM Kaspi, CJ Law, D. Michilli, K. Aggarwal, B. Andersen, AM Archibald, K. Bandura, GC Bower, PJ Boyle, C. Brar, S. Burke-Spolaor, BJ Butler, T. Cassanelli, P. Chawla, P. Demorest, M. Dobbs, E. Fonseca, U. Giri, DC Good, K. Gourdji, A. Josephy, A. Yu. Kirichenko, F. Kirsten, TL Landecker, D. Lang, TJW Lazio, DZ Li, H.-H. Lin, JD Linford, K. Masui, J. Mena-Parra, A. Naidu, C. N., C. Patel, U.-L. Pen, Z. Pleunis, M. Rafiei-Ravandi, M. Rahman, A. Renard, P. Scholz, SR Siegel, KM Smith, IH Stairs, K. Vanderlinde e AV Zwaniga com Ramesh Karuppusamy como co-autor do MPIfR
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