Desde 2007, os astrônomos registraram cerca de 20 pulsos de rádio misteriosos, cujas fontes estavam localizadas muito além de nossa galáxia. O colunista da BBC Earth decidiu saber mais sobre esse fenômeno.
Não há falta de fenômenos estranhos e não totalmente compreendidos no Universo - de buracos negros a planetas estranhos. Os cientistas têm algo para resolver.
Mas um mistério ultimamente tem sido especialmente interessante para os astrônomos - explosões misteriosas de emissão de rádio no espaço, conhecidas como pulsos rápidos de rádio.
Eles duram apenas alguns milissegundos, mas liberam cerca de um milhão de vezes mais energia do que o Sol produz no mesmo período de tempo.
Desde a descoberta do primeiro pulso em 2007, os astrônomos conseguiram registrar menos de 20 desses casos - todas as suas fontes estavam localizadas fora de nossa galáxia e foram distribuídas uniformemente no céu.
No entanto, os telescópios tendem a observar pequenas porções do céu em um determinado momento.
Se extrapolarmos os dados obtidos para todo o céu, então, como supõem os astrônomos, o número desses pulsos de rádio pode chegar a 10 mil por dia.
E ninguém sabe o motivo desse fenômeno.
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Os astrônomos, é claro, têm muitas explicações possíveis, algumas das quais parecem muito exóticas: colisões de estrelas de nêutrons, explosões de buracos negros, quebras de cordas cósmicas e até mesmo os resultados da atividade de inteligência extraterrestre.
“Existem agora mais teorias tentando explicar a natureza dos pulsos rápidos de rádio do que pulsos de verdade”, diz Duncan Lorimer, pesquisador da Universidade dos Estados Unidos da Virgínia Ocidental e líder da equipe de pesquisa que descobriu o primeiro pulso rápido de rádio (também chamado de pulso de Lorimer). "Este é um terreno fértil para os teóricos."
Mas mesmo que a explicação da natureza dos pulsos rápidos de rádio se revele muito mais comum, eles ainda podem ser de grande benefício para a ciência.
Eles irão, sem dúvida, revolucionar nossa compreensão do universo.
Esses sinais de rádio são como feixes de laser perfurando o Universo e encontrando campos magnéticos, plasma e outros fenômenos cósmicos em seu caminho.
Em outras palavras, eles capturam informações sobre o espaço intergaláctico ao longo do caminho e podem representar uma ferramenta única para explorar o Universo.
"Eles sem dúvida revolucionarão nossa compreensão do universo porque podem ser usados para fazer medições muito precisas", diz Peng Wee-Li, astrofísico da Universidade de Toronto.
Mas antes que isso aconteça, os cientistas precisam entender melhor a natureza dos rápidos pulsos de rádio.
Os astrônomos fizeram um progresso promissor nesta área nos últimos meses.
A primeira coisa que impressionou Lorimer a respeito do pulso que descobriu foi sua intensidade.
Lorimer e seus colegas revisaram os conjuntos de dados de arquivo coletados com o Parks Radio Telescope na Austrália. Eles procuraram por pulsos de rádio, como aqueles emitidos por estrelas de nêutrons em rotação rápida, os chamados pulsares.
Eu estava tão animado naquela noite que não consegui dormir
Matthew Bales, astrônomo
Essas estrelas, cada uma com o diâmetro de uma grande cidade, têm a densidade de um núcleo atômico e podem girar a velocidades superiores a 1000 rotações por segundo.
Ao mesmo tempo, eles emitem fluxos estreitamente direcionados de emissão de rádio, em conexão com os quais são também chamados de balizas espaciais.
Os sinais de rádio emitidos por pulsares parecem pulsações para um observador da Terra.
Mas o sinal detectado pela equipe de Lorimer foi muito estranho.
“Foi tão intenso que sobrecarregou os componentes eletrônicos do telescópio”, lembra Lorimer. "Isso é extremamente incomum para uma fonte de rádio."
O pulso durou cerca de 5 milissegundos, após os quais sua intensidade caiu.
“Lembro-me da primeira vez que vi um diagrama de momentum”, disse o membro da equipe de Lorimer, Matthew Bales, astrônomo da Swinburne University of Technology, Austrália. "Eu estava tão animado naquela noite que não consegui dormir."
Por cerca de cinco anos após a descoberta do impulso de Lorimer, permaneceu uma anomalia inexplicável.
Alguns estudiosos acreditaram que era apenas uma interferência instrumental. E em estudo publicado em 2015, afirma-se que pulsos de parâmetros semelhantes são registrados durante a operação de microondas instaladas na parte econômica do Observatório de Parques.
Suas fontes estão fora de nossa Galáxia, possivelmente a bilhões de anos-luz da Terra.
No entanto, desde 2012, astrônomos trabalhando em outros telescópios detectaram vários outros pulsos de rádio semelhantes, confirmando, assim, que os sinais estão realmente vindo do espaço.
E não apenas do espaço - suas fontes estão localizadas fora de nossa Galáxia, possivelmente a bilhões de anos-luz da Terra. Essa suposição foi feita com base em medições de um fenômeno conhecido como efeito de dispersão.
Durante sua jornada pelo Universo, as ondas de rádio interagem com os elétrons do plasma que encontram em seu caminho. Essa interação causa uma desaceleração na propagação das ondas, dependendo da frequência do sinal de rádio.
As ondas de rádio de frequência mais alta chegam ao observador um pouco mais rápido do que as ondas de rádio de frequência mais baixa.
Ao medir a diferença entre esses valores, os astrônomos podem calcular quanto plasma o sinal teve que passar em seu caminho até o observador, o que lhes dá uma ideia aproximada da distância da fonte de pulso de rádio.
As ondas de rádio que chegam até nós de outras galáxias não são novidade. É que antes da descoberta dos rápidos pulsos de rádio, os cientistas não observavam sinais de tão alta intensidade.
A existência de um sinal, cuja intensidade é um milhão de vezes maior do que qualquer coisa anteriormente detectada, desperta a imaginação
Assim, os quasares - núcleos galácticos ativos, dentro dos quais, como os cientistas acreditam, estão massivas estrelas negras - emitem uma enorme quantidade de energia, inclusive na faixa de rádio.
Mas os quasares localizados em outras galáxias estão tão distantes de nós que os sinais de rádio recebidos deles são extremamente fracos.
Eles poderiam ser facilmente abafados até mesmo por um sinal de rádio de um telefone celular colocado na superfície da lua, observa Bailes.
Pulsos de rádio rápidos são outra questão. “A existência de um sinal um milhão de vezes mais forte do que qualquer coisa detectada anteriormente é empolgante”, diz Bailes.
Especialmente considerando o fato de que pulsos rápidos de rádio podem indicar fenômenos físicos novos e inexplorados.
Uma das explicações mais ambíguas para sua origem tem a ver com as chamadas cordas cósmicas - dobras unidimensionais hipotéticas do espaço-tempo que podem se estender por pelo menos dezenas de parsecs.
Algumas dessas cordas podem ser supercondutoras e uma corrente elétrica pode fluir por elas.
De acordo com uma hipótese proposta em 2014, as cordas cósmicas às vezes se rompem, resultando em uma explosão de radiação eletromagnética.
Ou, diz Penh, a explicação para essas explosões pode ser explosões de buracos negros.
O campo gravitacional de um buraco negro é tão grande que mesmo a luz que o atinge não consegue escapar.
Se assumirmos que em um estágio inicial no desenvolvimento do Universo, pequenos buracos negros foram formados nele, então agora eles podem simplesmente evaporar
No entanto, na década de 1970. O famoso físico teórico britânico Stephen Hawking sugeriu que a energia pode evaporar da superfície de buracos negros envelhecidos.
Se assumirmos que em um estágio inicial do desenvolvimento do Universo, pequenos buracos negros foram formados nele, então agora eles podem simplesmente evaporar e explodir, o que leva a uma emissão instantânea de emissão de rádio.
Em fevereiro de 2016, astrônomos anunciaram que podem ter feito um grande avanço na pesquisa.
Uma equipe de cientistas liderada por Evan Keehan trabalhando na sede do radio interferômetro Square Kilometer Array no British Jodrell Bank Astrophysical Center analisou os parâmetros de um pulso de rádio rápido registrado em abril de 2015
De acordo com as conclusões dos astrônomos, a fonte do pulso de rádio estava em uma galáxia localizada a 6 bilhões de anos-luz de nós e consistia em estrelas velhas.
Neste caso, os parâmetros do pulso de rádio observado indicaram a probabilidade de pelo menos um cenário: colisões de estrelas de nêutrons emparelhadas
Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram determinar a localização de uma fonte emissora de rádio com uma precisão da galáxia, o que foi percebido pela comunidade científica como uma descoberta extremamente importante.
"Identificar a galáxia que contém a fonte do pulso de rádio rápido é uma peça do quebra-cabeça", diz Bailes, que também trabalhou na equipe de Kian. "Se pudermos determinar a galáxia, podemos descobrir a que distância de nós está a fonte."
Depois disso, você pode medir com precisão a quantidade de energia de pulso e começar a descartar as teorias mais implausíveis sobre sua origem.
Nesse caso, os parâmetros do pulso de rádio observado indicavam a probabilidade de pelo menos um cenário: colisões de estrelas de nêutrons emparelhadas girando em torno uma da outra.
Parecia que o mistério da natureza dos impulsos rápidos do rádio estava quase resolvido. “Fiquei muito animado com os resultados deste estudo”, disse Lorimer.
Mas apenas algumas semanas depois, os cientistas Edo Berger e Peter Williams, da Universidade de Harvard, questionaram a teoria.
As conclusões da equipe de Keehan foram baseadas na observação do fenômeno, que os cientistas interpretaram como a atenuação do sinal de rádio após o fim do pulso rápido do rádio.
A fonte do sinal de desvanecimento foi localizada de forma confiável em uma galáxia localizada a 6 bilhões de anos-luz da Terra, e os pesquisadores acreditavam que o pulso de rádio rápido veio de lá.
No entanto, de acordo com Berger e Williams, o que Kian considerou um sinal de rádio residual - desvanecimento - não teve nada a ver com um pulso de rádio rápido.
Eles analisaram cuidadosamente as características do sinal residual apontando o radiotelescópio American Very Large Array para uma galáxia distante.
As colisões de estrelas de nêutrons ocorrem em várias ordens de magnitude com menos frequência do que a frequência provável de pulsos rápidos de rádio, de modo que todos os casos registrados não podem ser explicados apenas por esse fenômeno.
Verificou-se que estamos falando de um fenômeno distinto causado por flutuações no brilho da própria galáxia devido ao fato de que em seu centro está um buraco negro supermassivo, absorvendo gases cósmicos e poeira.
Em outras palavras, a galáxia cintilante não era o lugar de onde o rápido pulso de rádio era emitido. Acontece que ela estava no campo de visão do telescópio - atrás da fonte verdadeira ou na frente dela.
E se o pulso de rádio não foi enviado desta galáxia, então talvez não tenha sido causado pela colisão de duas estrelas de nêutrons.
O cenário de nêutrons tem outro ponto fraco. "A frequência de emissão de pulsos de rádio rápidos é muito maior do que a frequência de radiação esperada de colisões de estrelas de nêutrons", disse Maxim Lyutikov da American University of Purdue.
Além disso, as colisões de estrelas de nêutrons ocorrem em várias ordens de magnitude com menos frequência do que a frequência provável de pulsos de rádio rápidos, de modo que todos os casos registrados não podem ser explicados apenas por esse fenômeno.
E logo, novas evidências científicas reduziram ainda mais a probabilidade de tal explicação.
Em março de 2016, um grupo de astrônomos relatou uma descoberta impressionante. Eles estudaram um pulso de rádio gravado em 2014 pelo Observatório de Arecibo, em Porto Rico. Acontece que este não foi um evento único - o impulso foi repetido 11 vezes ao longo de 16 dias.
“Esta foi a maior descoberta desde a primeira explosão de rádio rápida”, diz Penh. "Isso põe fim ao grande número de hipóteses propostas até agora."
Todos os pulsos de rádio rápidos gravados anteriormente eram únicos - repetições de sinais do mesmo setor do céu não eram gravadas.
Portanto, os cientistas presumiram que eles poderiam ser uma consequência de cataclismos cósmicos, em cada caso ocorrendo apenas uma vez - por exemplo, explosões de buracos negros ou colisões de estrelas de nêutrons.
Mas tal teoria não explica a possibilidade (em alguns casos) de repetir pulsos de rádio em rápida sucessão. Qualquer que seja a razão para tal série de pulsos, as condições para sua ocorrência devem ser mantidas por um certo tempo.
Essa circunstância restringe significativamente a lista de hipóteses possíveis.
Um deles, que Buttercup está pesquisando, diz que jovens pulsares - estrelas de nêutrons girando a velocidades de até uma revolução por milissegundo - podem ser fontes de rápidos pulsos de rádio.
Buttercup chama esses objetos de pulsares com esteróides.
Com o tempo, a rotação dos pulsares diminui e parte da energia rotacional pode ser ejetada para o espaço na forma de emissão de rádio.
Não está totalmente claro como exatamente os pulsares podem emitir pulsos de rádio rápidos, mas sabe-se que eles são capazes de emitir pulsos de rádio curtos.
Portanto, o pulsar localizado na Nebulosa do Caranguejo tem, supostamente, cerca de 1000 anos. É relativamente jovem e é um dos pulsares mais poderosos que conhecemos.
Quanto mais jovem o pulsar, mais rápido ele gira e mais energia possui. Buttercup chama esses objetos de "pulsares baseados em esteróides".
E embora o pulsar na Nebulosa do Caranguejo agora não tenha energia suficiente para emitir pulsos rápidos de rádio, é possível que, imediatamente após seu aparecimento, pudesse fazê-lo.
Outra hipótese diz que a fonte de energia para pulsos rápidos de rádio não é a rotação de uma estrela de nêutrons, mas seu campo magnético, que pode ser mil trilhões de vezes mais forte que o da Terra.
Estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremamente fortes, os chamados magnetares, podem emitir pulsos de rádio rápidos por meio de um processo semelhante ao que resulta em erupções solares.
Existem muitos magnetares no Universo
Conforme o magnetar gira, os campos magnéticos em sua corona - a fina camada externa da atmosfera - mudam de configuração e se tornam instáveis.
Em algum ponto, as linhas desses campos se comportam como se você tivesse clicado em um chicote. Um fluxo de energia é liberado, acelerando as partículas carregadas, que emitem pulsos de rádio.
“Existem muitos magnetares no universo”, diz Bailes. "Eles são instáveis, o que provavelmente explica a ocorrência de pulsos rápidos de rádio."
Hipóteses relacionadas a estrelas de nêutrons são mais conservadoras e baseadas em fenômenos relativamente bem estudados, portanto, parecem mais prováveis.
“Todas as hipóteses de ocorrência de pulsos rápidos de rádio, que considero sérias e que estou discutindo seriamente com meus colegas, têm a ver com estrelas de nêutrons”, diz Bales.
No entanto, ele admite que essa abordagem pode ser um tanto unilateral. Muitos astrônomos que estudam pulsos rápidos de rádio também estudam estrelas de nêutrons, então sua tendência de ver as primeiras através do prisma das últimas é compreensível.
Pode ser que estejamos lidando com aspectos inexplorados da física
Existem também explicações mais não convencionais. Por exemplo, vários pesquisadores sugeriram que pulsos de rádio rápidos surgem como resultado de colisões de pulsares com asteróides.
É possível que várias hipóteses sejam verdadeiras ao mesmo tempo, e cada uma delas explica um determinado caso de ocorrência de pulsos de rádio rápidos.
Talvez alguns impulsos se repitam, enquanto outros não, o que não descarta completamente a hipótese de colisões de estrelas de nêutrons e outros cataclismos de escala cósmica.
“Pode ser que a resposta seja muito simples”, diz Lyutikov. "Mas também pode acontecer que estejamos lidando com aspectos inexplorados da física, com novos fenômenos astrofísicos."
Independentemente do que realmente sejam os pulsos de rádio rápidos, eles podem ser de grande benefício para a ciência espacial.
Por exemplo, eles podem ser usados para medir o volume da matéria no universo.
Como já mencionado, as ondas de rádio encontram o plasma intergaláctico em seu caminho, o que diminui sua velocidade dependendo da frequência da onda.
Além de poder medir a distância até a fonte do sinal, a diferença na velocidade da onda também dá uma ideia de quantos elétrons existem entre nossa galáxia e a fonte de radiação.
“As ondas de rádio são codificadas com informações sobre os elétrons que compõem o universo”, diz Bailes.
Anteriormente, os cientistas estavam envolvidos principalmente neste tópico em seu tempo livre da pesquisa básica.
Isso dá aos cientistas a oportunidade de estimar aproximadamente a quantidade de matéria comum no espaço, o que os ajudará no futuro no cálculo de modelos para o surgimento do Universo.
A singularidade dos pulsos de rádio rápidos é que eles são uma espécie de feixes de laser cósmico, diz Penh.
Eles perfuram o espaço em uma direção específica e são intensos o suficiente para fornecer precisão de medição superior.
“Esta é a ferramenta de medição mais precisa disponível para estudarmos objetos distantes dentro da linha de visão”, explica ele.
Assim, segundo ele, pulsos de rádio rápidos podem informar sobre a estrutura do plasma e dos campos magnéticos próximos à fonte de radiação.
Conforme o plasma passa, os pulsos de rádio podem piscar, assim como as estrelas piscam quando vistas através da atmosfera terrestre.
Medir as características dessa cintilação permitirá aos astrônomos medir as dimensões das regiões de plasma com uma precisão de várias centenas de quilômetros. Devido ao alto potencial científico, e não menos importante, pela inexplicabilidade do fenômeno, nos últimos anos, o interesse dos cientistas por pulsos de rádio rápidos cresceu significativamente.
“Anteriormente, os cientistas estavam envolvidos principalmente neste tópico em seu tempo livre da pesquisa básica”, observa Lorimer.
Agora os astrônomos estão procurando intensamente por pulsos de rádio rápidos nas regiões ainda inexploradas do céu e continuam a observar os setores do céu onde esses fenômenos já foram registrados - na esperança de registrá-los.
Ao mesmo tempo, os poderes dos telescópios ao redor do mundo são usados, pois quando um pulso é observado de vários observatórios, a probabilidade de um cálculo mais preciso das coordenadas da fonte aumenta significativamente.
Portanto, nos próximos anos, radiotelescópios como o canadense CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment) serão capazes de observar vastas áreas do céu e registrar centenas de pulsos de rádio rápidos.
Quanto mais dados coletados, mais compreensível se tornará o fenômeno dos pulsos rápidos de rádio. Talvez algum dia seu segredo seja revelado.
