UM CLARÃO DE RAIOS GAMA DE 1991 VIBRA COMO UM MAGNETAR

Em 11 de julho de 1991, o instrumento BATSE, a bordo do Compton Gamma Ray Observatory, registrou um clarão de raios gama. O GRB 910711 foi descrito como a explosão mais curta que a missão já tinha visto: um pico brilhante de cerca de 10 milissegundos, seguido de uma cauda fraca de 100 a 200 milissegundos. Em 2023, uma análise de 724 explosões curtas fez dele o candidato mais forte a oscilações de quilohertz — um brilho que sobe e desce milhares de vezes por segundo —, interpretadas como os movimentos de uma estrela de nêutrons “hipermassiva” deixada por uma fusão.

Dois suspeitos para um único clarão curto

As explosões curtas de raios gama têm duas origens possíveis: uma fusão de estrelas compactas ou uma erupção gigante de um magnetar, uma estrela de nêutrons com um campo magnético ultraintenso. Algumas erupções gigantes vindas de outras galáxias se parecem com explosões de fusão na duração e na energia de sua luz; sem uma posição precisa no céu, é difícil distinguir umas das outras. A posição do GRB 910711 tem uma incerteza de cerca de 6 graus.

Run-Chao Chen e Bin-Bin Zhang (Universidade de Nanquim), Ore Gottlieb (Massachusetts Institute of Technology) e cinco colegas partiram de uma tensão na interpretação por fusão.

Uma luz dura demais para carregar uma pulsação

O espectro do GRB 910711 é ajustado mais ou menos tão bem por um corpo negro — o brilho de um corpo quente e opaco — quanto pela forma habitualmente ajustada às explosões de fusão. Com essa segunda forma, ele sai excepcionalmente “duro” — dominado por fótons de alta energia —, no extremo das explosões medidas pelo BATSE.

A solução natural: uma luz que emerge de uma fotosfera, a camada em que uma nuvem opaca deixa sua luz escapar. Mas ali a luz sai longe do motor central, depois de muitos espalhamentos. Uma pulsação de quilohertz imposta por uma estrela de nêutrons no centro precisaria de um mecanismo extra para sobreviver à viagem, ou para ser reconstruída no caminho de saída.

Um gêmeo mais fraco de uma erupção conhecida

A referência deles é o GRB 200415A, registrado em 15 de abril de 2020: uma erupção gigante de magnetar vinda da galáxia próxima NGC 253, a 3,5 megaparsecs — o megaparsec sendo a unidade usada pelos astrônomos para as distâncias entre galáxias.

Alinhadas em seus picos, as duas curvas de luz se parecem: o mesmo pico de 10 milissegundos, a mesma cauda mais fraca, estruturas tão curtas quanto cerca de 90 microssegundos — milionésimos de segundo — em 1991, e 65 em 2020. Um modelo da erupção de 2020, simplesmente tornado mais fraco como se ela tivesse ocorrido mais longe, reproduz a forma da explosão de 1991. Uma ilustração, insistem os autores, e não uma medida de distância.

Harmônicos de cerca de 360 hertz

Dentro do pico, a equipe encontra uma saliência em 360 hertz — 360 vezes por segundo — na explosão de 1991, e em 350 hertz na de 2020. Em 10 milissegundos, frequências separadas por menos de cerca de 100 hertz não podem ser distinguidas: as duas saliências são indiscerníveis.

Mapas do ritmo em função do tempo mostram picos que se acendem em múltiplos inteiros de 360 hertz, como os harmônicos de uma mesma nota: 1, 3, 5, 6 e 11 vezes 360 no GRB 910711; 2, 4, 6 e 12 vezes no GRB 200415A. Ambos compartilham o sexto, cerca de 2.160 hertz, próximo de uma oscilação já relatada na erupção de 2020.

O biespectro verifica se as oscilações estão acopladas: oscilações acopladas criam potência na soma de suas frequências. Na erupção de 2020, a componente de 4.320 hertz corresponde a duas componentes acopladas de 2.160 hertz, que por sua vez correspondem a 720 e 1.440 hertz acopladas.

100.000 explosões falsas

Para testar o acaso, a equipe produziu para cada explosão 100.000 curvas de luz falsas com a mesma forma de pico e o mesmo ruído de contagem de fótons, mas sem nenhuma oscilação. A saliência de 360 hertz saiu pelo menos tão forte em cerca de 5% delas para o GRB 910711, e em 0,1% para o GRB 200415A. Quando as falsas também continham as oscilações de quilohertz já relatadas e um ruído de fundo mais realista, esses números subiram para 15,5% e 33,4%: sozinha, a saliência baixa se torna menos inesperada.

Os harmônicos só foram testados contra falsas sem oscilações, e ali se sustentam. Uma pequena diferença na frequência de base é multiplicada a cada harmônico, de modo que o padrão a testa com mais finura do que a saliência sozinha. Varrendo de 260 a 460 hertz, as duas explosões preferem cerca de 360 hertz; as falsas, não. Contra as falsas sem oscilações, a intensidade combinada dos acoplamentos só foi atingida 1,3 vez em 10.000 para o GRB 910711, e 4,5 vezes para o GRB 200415A.

Dezessete galáxias candidatas

A qualquer distância, o GRB 910711 seria fraco demais para a energia de sua luz, em comparação com as explosões de fusão conhecidas. Como erupção gigante, ele se encaixa, se estiver a menos de cerca de 55 megaparsecs, umas 16 vezes mais longe que NGC 253. Nesse alcance e em sua região do céu, a equipe lista 17 galáxias, a mais próxima a cerca de 9,1 megaparsecs, todas classificadas como principalmente formadoras de estrelas. Se a interpretação se confirmar, o BATSE captou em 1991 sua primeira erupção gigante vinda de outra galáxia.

O que poderia vibrar a 360 hertz

Nas erupções gigantes da nossa Galáxia, oscilações rápidas apareceram nas caudas em declínio, não no pico; uma delas, de cerca de 625 hertz, foi atribuída a uma vibração da crosta da estrela. Sob certas hipóteses, ela poderia ficar perto de 360 hertz, mas depende do interior e do campo magnético de cada estrela: dois magnetares compartilhá-la seria uma coincidência. Mais especulativa é uma vibração na fronteira em que a matéria nuclear se transforma em matéria de quarks, no fundo do núcleo: sua frequência, entre 100 e 1.000 hertz, depende sobretudo da física nuclear, e pouco da massa da estrela. Como uma vibração assim moldaria a luz do pico continua incerto.

Uma pulsação ouvida só nos raios gama

Os resultados “não estabelecem de forma única” uma origem em magnetar, escrevem os autores, mas fazem dela “a interpretação mais econômica”: uma fusão precisa explicar ao mesmo tempo o espectro duro, uma pulsação que atravessa a fotosfera, a semelhança com a erupção de 2020 e os harmônicos compartilhados. Se harmônicos assim aparecerem em futuras explosões curtas, só os raios gama poderiam ajudar a distinguir erupções de fusões, a tempo de planejar observações de acompanhamento. O GRB 910711 conserva uma região do céu de 6 graus, 17 galáxias candidatas e uma pulsação perto de 360 hertz.