Em março de 2023, telescópios espalhados pelo mundo registraram um dos clarões mais intensos já observados no cosmos. Catalogado como GRB 230307A, o fenômeno chamou a atenção da comunidade científica por sua extraordinária energia e por apresentar fortes evidências de ser uma kilonova, como é conhecida a explosão resultante da colisão de duas estrelas de nêutrons. Mas não foi apenas a violência do evento que intrigou os pesquisadores. O local onde a explosão ocorreu suscitou um mistério ainda maior.
Registrado a cerca de 130 mil anos-luz de sua provável galáxia hospedeira, distância comparável ao diâmetro da Via Láctea, o GRB 230307A parecia ter ocorrido em uma região praticamente vazia do espaço. A provável localização trouxe à tona uma dúvida: como um sistema binário de estrelas de nêutrons poderia ter chegado tão longe de seu local de nascimento?
Esta e outras dúvidas motivaram o estudo internacional Investigando a Origem da Candidata a kilonova GRB 230307A: Análise da Galáxia Hospedeira e do Deslocamento. Liderada por pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), da Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), a pesquisa foi publicada em 16 de abril no The Astrophysical Journal Letters e reuniu cientistas do Brasil, Espanha, Inglaterra e Estados Unidos. A equipe combinou observações do Telescópio Espacial James Webb (JWST) com dados do instrumento MUSE, instalado no Very Large Telescope, no Chile.
Para entender a relevância do fenômeno e detalhes da metodologia do estudo, a Sociedade Brasileira de Física (SBF) entrevistou três dos físicos que lideraram a pesquisa: Davi Rodrigues, da UFES; Clécio de Bom, do CBPF; e Arianna Cortesi, da UFRJ.
Segundo Clécio, a colaboração foi construída a partir da própria complexidade da questão científica. “A gente tinha uma pergunta científica que nos levava a buscar entender como um fenômeno tão raro como esse se origina. Como não é um tipo de pesquisa muito comum, fomos procurando parceiros que tivessem a expertise necessária para elaborar esse estudo”, explica.
O evento, prossegue Clécio, já havia despertado interesse internacional desde sua descoberta. “Ele foi objeto da Nature na ocasião, porque se tratava da segunda explosão de raios gama mais intensa já registrada na história. Era um evento extremo que merecia essa atenção”, pontua Clécio, em referência à prestigiada revista científica fundada no Reino Unido e ao fenômeno conhecido na astrofísica pela sigla GRB (de gamma-ray bursts).
Davi Rodrigues lembra que a única kilonova reconhecida até o momento pela comunidade científica foi detectada em 2017 com contrapartida de ondas gravitacionais. “No caso do GRB 230307A não teve essa contrapartida porque os detectores LIGO, Virgo e KAGRA não estavam em operação quando o evento aconteceu”, insere Davi, acrescentando que as kilonovas estão entre os fenômenos mais raros conhecidos pela astrofísica e que poucos candidatos vêm sendo estudados desde então.
Para Clécio, a importância dessas explosões vai muito além do próprio fenômeno. “Graças majoritariamente a esses poucos eventos, foi possível estabelecer a ligação entre os elementos pesados da tabela periódica e as colisões de estrelas de nêutrons”, afirma. “Grande parte dos elementos mais pesados do universo são formados quase exclusivamente dentro dessas colisões, inclusive a maior parte da platina e do ouro, embora a contribuição relativa de outros eventos cósmicos ainda seja uma questão ativa de pesquisa.”
Entender a origem das kilonovas significa, portanto, compreender também a origem de parte significativa da matéria que compõe planetas, objetos metálicos e até mesmo o corpo humano.
Outro aspecto intrigante do GRB 230307A surgiu quando os pesquisadores analisaram sua posição em relação à galáxia hospedeira. Segundo Arianna Cortesi, da UFRJ, estrelas de nêutrons descendem de estrelas muito massivas, normalmente associadas a regiões onde a formação estelar ainda está ativa.
“Geralmente esperamos encontrar essas estrelas no disco de galáxias espirais, onde existe muito gás e onde a formação estelar ocorre com maior frequência”, explica. “Por isso foi surpreendente encontrar esse objeto tão longe.”
Uma hipótese inicial era que o sistema tivesse se formado em um aglomerado globular, como são conhecidos agrupamentos densos de estrelas que frequentemente orbitam regiões externas das galáxias. Contudo, as imagens obtidas pelo James Webb praticamente descartaram essa possibilidade. Isso porque as observações eram suficientemente profundas para detectar qualquer aglomerado globular típico capaz de hospedar um sistema como esse.
Restava então uma segunda hipótese: o sistema teria nascido dentro da galáxia e sido lançado para longe após as explosões que deram origem às estrelas de nêutrons. Davi ressalta que esse cenário já era conhecido qualitativamente.
“Já era sabido que estrelas de nêutrons podem adquirir velocidades muito diferentes das estrelas vizinhas. Durante sua formação ocorre o que chamamos de kick, uma mudança brusca de momento causada pela explosão da estrela progenitora”, define.
Uma espécie de impulso, os kicks podem acelerar as estrelas a centenas de quilômetros por segundo. Em princípio, isso permitiria que o sistema binário fosse expulso do disco galáctico.
“O artigo original já levantava essa possibilidade de forma qualitativa. A nossa proposta foi justamente perguntar: será que realmente ela chega lá? Por isso optamos por uma análise quantitativa.”
Definida a metodologia, os pesquisadores construíram um modelo detalhado da distribuição de massa da galáxia hospedeira, permitindo calcular seu potencial gravitacional. “Uma vez que você conhece o potencial gravitacional da galáxia e a velocidade inicial do sistema, consegue calcular até onde ele pode viajar”, explica Davi.
A equipe combinou esse modelo com simulações da formação de sistemas binários de estrelas de nêutrons. Algumas dessas simulações ainda nem haviam sido publicadas quando o trabalho começou.
“Levamos em conta correlações entre velocidade inicial, tempo de coalescência e outras propriedades dos sistemas. Utilizamos simulações extremamente recentes para avaliar quão natural seria chegar a uma configuração como a observada”, prossegue Davi.
O resultado mostrou que o cenário é possível, mas altamente improvável. “Vimos que ela pode chegar lá. Não estamos descartando essa hipótese. Mas realmente parece ser um caso atípico”, afirma Davi. “A probabilidade encontrada foi da ordem de 0,1%.”
Clécio destaca que a raridade decorre de uma sequência de acontecimentos extraordinários. “Estamos falando de um par de estrelas massivas que explodiu duas vezes, mas permaneceu ligado gravitacionalmente. Depois, esse sistema se afastou enormemente do local onde nasceu e acabou explodindo em um lugar que, aos nossos olhos, parece estar no meio do nada. A pergunta é justamente: como ele chegou ali?”
A investigação contou com uma contribuição fundamental do Telescópio Espacial James Webb. Segundo Arianna, a alta definição das imagens geradas por este observatório espacial permitiu enxergar detalhes impossíveis para telescópios terrestres.
“O James Webb tem uma resolução extremamente elevada. Ele nos permitiu observar a morfologia da galáxia em detalhe, identificar deformações estruturais e verificar a presença de outros objetos próximos.” Ademais, as observações possibilitaram medir com precisão os redshifts (fenômeno pelo qual a luz de um objeto astronômico é deslocada para comprimentos de onda maiores, permitindo estimar sua velocidade de afastamento e, em muitos casos, sua distância em relação à Terra) dos objetos presentes na região.
“Conseguimos determinar que alguns objetos próximos eram apenas efeitos de projeção, enquanto outros provavelmente estavam associados à galáxia. Os dados do James Webb foram fundamentais para caracterizar tanto a morfologia quanto o ambiente da galáxia hospedeira”, detalha Arianna.
Astronomia multimensageira
As kilonovas ocupam posição central em uma das áreas mais promissoras da astrofísica contemporânea: a astronomia multimensageira.
“A astronomia tradicional sempre observou o céu por meio da luz visível ou de outras formas de radiação eletromagnética”, explica Clécio. “Mas na última década passamos a detectar de forma consolidada outros sinais, como ondas gravitacionais e neutrinos. A integração desses diferentes canais abre uma nova forma de observar o universo.”
Essa abordagem, ele prossegue, permite realizar medições que antes eram impossíveis. “Quando você combina informações de luz e ondas gravitacionais, consegue medir propriedades fundamentais do universo de forma muito mais precisa”, afirma. “Um exemplo é a constante de Hubble, que descreve a taxa de expansão do universo e hoje é um dos temas mais debatidos da cosmologia.”
As implicações das kilonovas também alcançam a física nuclear e a química cósmica. Arianna observa que quase todos os elementos químicos mais pesados que hidrogênio e hélio foram produzidos no interior das estrelas. “Lá ocorre a fusão nuclear, que produz elementos progressivamente mais pesados até chegar ao ferro.” A partir desse ponto, o processo muda radicalmente. “Fundir núcleos mais pesados que o ferro exige energia. Por isso, esses elementos são produzidos em eventos extremamente energéticos, como supernovas e kilonovas”, explica a pesquisadora.
Clécio acrescenta que os dados acumulados nas últimas observações indicam que os lantanídeos (grupo químico que inclui diversos elementos pesados) parecem ser produzidos majoritariamente durante colisões de estrelas de nêutrons. “O que descobrimos nesses eventos é a confirmação de que muitos desses elementos são gerados justamente nesse momento de fusão.”
Apesar dos avanços, os pesquisadores reconhecem que a compreensão desses fenômenos está longe de ser completa. “Hoje temos apenas uma kilonova inequivocamente confirmada por ondas gravitacionais”, lembra Davi. “Precisamos de mais casos para entender quais ambientes favorecem esse tipo de evento.”
Para Clécio de Bom, há um problema em aberto relacionado à abundância dos elementos pesados observados no universo. “A conta não fecha. A taxa observada de kilonovas talvez não seja suficiente para explicar toda a quantidade desses elementos que vemos. Isso nos leva a considerar a possibilidade de que outros fenômenos também contribuam para sua produção.”
Por sua vez, Arianna destaca que a próxima geração de observatórios deverá revolucionar a área. “Telescópios como o James Webb, o Euclid e o Vera Rubin Observatory vão nos permitir observar o universo como se estivéssemos colocando óculos. Objetos antes pouco definidos passarão a revelar suas estruturas em detalhes.”
Com mais observações e futuras detecções simultâneas de luz e ondas gravitacionais, os pesquisadores esperam compreender melhor não apenas a origem das kilonovas, mas também a formação dos elementos pesados e a própria evolução do universo.
Enquanto isso, o GRB 230307A permanece como um dos casos mais extremos já registrados. Um evento raro, ocorrido em um local improvável, que desafia modelos consolidados e lembra que, mesmo após décadas de avanços observacionais, o universo ainda guarda muitas surpresas relativas à vida e à morte das estrelas.
Por Leandro Haberli
