Há muito tempo que as condições em que muitos elementos químicos são criados no Universo são um mistério. Isto inclui elementos que são altamente valiosos ou mesmo vitais para a vida tal como a conhecemos. Os astrónomos estão agora um passo mais perto de uma resposta, graças ao Telescópio Espacial James Webb e a um evento altamente energético: a segunda explosão de raios gama mais brilhante alguma vez detetada, muito provavelmente causada pela fusão de duas estrelas de neutrões - que resultou numa explosão conhecida como quilonova.

Uma equipa de cientistas utilizou vários telescópios espaciais e terrestres, incluindo o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, para observar uma explosão de raios gama excecionalmente brilhante, de nome GRB 230307A, e identificar a fusão de estrelas de neutrões que gerou a explosão que deu origem ao evento. O Webb também ajudou os cientistas a detetar o elemento químico telúrio no rescaldo da explosão.

É provável que outros elementos próximos do telúrio na tabela periódica - como o iodo, que é necessário para grande parte da vida na Terra - também estejam presentes no material ejetado pela quilonova. Uma quilonova é uma explosão produzida por uma estrela de neutrões que se funde com um buraco negro ou com outra estrela de neutrões.

"Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev ter escrito a tabela periódica dos elementos, estamos agora finalmente em posição de começar a preencher os últimos espaços em branco da compreensão de onde tudo foi feito, graças ao Webb", disse Andrew Levan da Universidade de Radboud, nos Países Baixos, e da Universidade de Warwick no Reino Unido, autor principal do estudo.

Embora as fusões de estrelas de neutrões tenham sido há muito teorizadas como as "panelas de pressão" ideais para criar alguns dos elementos mais raros e substancialmente mais pesados do que o ferro, os astrónomos encontraram anteriormente alguns obstáculos à obtenção de evidências sólidas.

As quilonovas são extremamente raras, tornando difícil a observação destes eventos. As explosões de raios gama curtas (GRBs), tradicionalmente consideradas aquelas que duram menos de dois segundos, podem ser subprodutos destes episódios de fusão pouco frequentes. Em contraste, as explosões longas de raios gama podem durar vários minutos e estão normalmente associadas à morte explosiva de uma estrela massiva.

O caso de GRB 230307A é particularmente notável. Detetado pela primeira vez pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA em março, é o segundo GRB mais brilhante observado em mais de 50 anos de observações, cerca de 1000 vezes mais brilhante do que uma explosão típica de raios gama observada pelo Fermi. Também durou 200 segundos, o que a coloca firmemente na categoria das explosões de raios gama de longa duração, apesar da sua origem diferente.

"Esta explosão está bem dentro da categoria longa. Não está perto da fronteira. Mas parece vir de uma estrela de neutrões em fusão", acrescentou Eric Burns, coautor do artigo e membro da equipa Fermi da Universidade Estatal do Louisiana.

A colaboração de muitos telescópios no solo e no espaço permitiu aos cientistas reunir uma grande quantidade de informação sobre este evento assim que a explosão foi detetada. É um exemplo de como os satélites e os telescópios trabalham em conjunto para testemunhar as mudanças no Universo à medida que se vão desenvolvendo.

Após a deteção inicial, uma série intensiva de observações a partir do solo e do espaço entrou em ação para localizar a fonte no céu e seguir a mudança do seu brilho. Estas observações em raios gama, raios X, no ótico, no infravermelho e no rádio mostraram que a sua contraparte ótica/infravermelha era ténue, evoluía rapidamente e tornou-se muito vermelha - as características de uma quilonova.

"Este tipo de explosão é muito rápido, com o material na explosão também a expandir-se rapidamente", disse Om Sharan Salafia, um coautor do estudo no Observatório Astronómico de Brera do INAF, em Itália. "À medida que toda a nuvem se expande, o material arrefece rapidamente e o pico da sua luz torna-se visível no infravermelho, tornando-se mais vermelho em escalas de tempo de dias a semanas."

Teria sido impossível estudar esta quilonova em alturas posteriores a partir do solo, mas estas eram as condições perfeitas para os instrumentos NIRCam (Near-Infrared Camera) e NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb observarem este ambiente tumultuoso. O espetro tem linhas largas que mostram que o material é ejetado a alta velocidade, mas uma caraterística é clara: a luz emitida pelo telúrio, um elemento mais raro do que a platina na Terra.

Este gráfico compara os dados espectrais da quilonova GRB 230307A observados pelo Telescópio Espacial James Webb e um modelo de quilonova. Ambos mostram um pico distinto na região do espetro associada ao telúrio, com a área sombreada a vermelho. A deteção do telúrio, que é mais raro do que a platina na Terra, marca o primeiro olhar direto do Webb sobre um elemento pesado individual de uma qiilonova. Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

As capacidades infravermelhas altamente sensíveis do Webb ajudaram os cientistas a identificar a origem das duas estrelas de neutrões que criaram a quilonova: uma galáxia espiral a cerca de 120.000 anos-luz de distância do local da fusão.

Antes da sua aventura, eram duas estrelas massivas normais que formavam um sistema binário na sua galáxia espiral de origem. Como a dupla estava ligada gravitacionalmente, ambas as estrelas foram lançadas em duas ocasiões distintas: quando uma delas explodiu como supernova e se tornou uma estrela de neutrões, e quando a outra estrela seguiu o mesmo percurso.

Neste caso, as estrelas de neutrões permaneceram como um sistema binário apesar de dois abalos explosivos e foram expulsas da sua galáxia hospedeira. O par viajou aproximadamente o equivalente ao diâmetro da Via Láctea antes de se fundir várias centenas de milhões de anos mais tarde.

Os cientistas esperam encontrar ainda mais quilonovas no futuro, graças ao número crescente de oportunidades de ter telescópios espaciais e terrestres a trabalhar de forma complementar para estudar as mudanças no Universo.

"O Webb dá um impulso fenomenal e pode encontrar elementos ainda mais pesados", disse Ben Gompertz, coautor do estudo da Universidade de Birmingham, no Reino Unido. "À medida que as observações se tornam mais frequentes, os modelos melhoram e o espetro pode evoluir mais no tempo. O Webb abriu certamente a porta para fazer muito mais e as suas capacidades serão completamente transformadoras para a nossa compreensão do Universo".

Estas descobertas foram publicadas na revista Nature.

// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// Universidade de Radboud (comunicado de imprensa)
// Universidade de Warwick (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal do Louisiana (comunicado de imprensa)
// Universidade de Birmingham (comunicado de imprensa)
// Universidade de Leicester (comunicado de imprensa)
// Queen's University de Belfast (comunicado de imprensa)
// Universidade John Moores de Liverpool (comunicado de imprensa)
// Universidade College Cork (comunicado de imprensa)
// MIT (comunicado de imprensa)
// NOVA (comunicado de imprensa)
// Universidade de Tecnologia do Texas (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)

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GRB 230307A:
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GRB ("gamma ray burst", em português explosão de raios gama):
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Quilonova:
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