A rare and fundamental explosion and its long formation journey
One of the most energetic explosions ever observed in the universe is challenging current astronomy models. GRB 230307A, a probable kilonova caused by the collision of neutron stars, occurred in an extremely unusual location and may help scientists better understand the origin of heavy elements, gravitational waves, and the evolution of the cosmos.
View on InstagramEm março de 2023, telescópios ao redor do mundo registraram um dos flashes de luz mais intensos já observados no universo. Batizado de GRB 230307A, o fenômeno foi classificado como um gamma-ray burst — uma explosão extremamente energética que dura poucos minutos, mas libera uma quantidade de energia comparável à emitida pelo Sol ao longo de bilhões de anos. A análise da luz emitida indicou que o evento era, muito provavelmente, uma kilonova: o brilho resultante da colisão entre duas estrelas de nêutrons, remanescentes ultradensos de estrelas massivas já extintas. Além de raras, essas colisões são fundamentais para a formação de elementos pesados, como ouro e platina.
O que intrigou os astrônomos e físicos, porém, não foi apenas a explosão em si, mas o lugar onde ela ocorreu: A kilonova ocorreu a cerca de 130 mil anos-luz de sua galáxia hospedeira, uma distância superior ao próprio diâmetro do disco estelar dessa galáxia e comparável ao da Via Láctea.
Para investigar a origem do evento, uma colaboração internacional — liderada por pesquisadores brasileiros do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) e Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) — utilizou dados do Telescópio Espacial James Webb e do instrumento MUSE, do Observatório Europeu do Sul, no Chile.
A análise da estrutura e da dinâmica da galáxia mais próxima da explosão não revelou evidências de interações recentes com outras galáxias, o que aprofundou o enigma: como um sistema binário de estrelas de nêutrons poderia estar tão distante de seu local de origem? Diante disso, os pesquisadores testaram duas hipóteses principais.
A primeira considerava a formação do sistema em um aglomerado globular — conjunto denso de estrelas frequentemente localizadas em regiões distantes do centro de uma galáxia. No entanto, as imagens profundas do telescópio James Webb, sensíveis o suficiente para detectar aglomerados típicos capazes de abrigar esse tipo de sistema (sendo que cenários menos usuais têm probabilidade inferior a 0,3%), não identificaram nenhuma evidência dessa possibilidade.
A segunda hipótese, mais complexa e amplamente investigada no estudo, propõe que o sistema tenha sido ejetado após explosões estelares sucessivas. Quando estrelas massivas colapsam e formam estrelas de nêutrons, podem receber impulsos que as lançam a velocidades de centenas de quilômetros por segundo. Caso o sistema binário sobreviva a esses eventos, ele pode ser expulso do disco galáctico e viajar por centenas de milhões de anos antes de finalmente colidir e gerar a kilonova. Embora esse cenário já fosse considerado o mais plausível, a análise quantitativa, baseada em um modelo detalhado da galáxia hospedeira combinado com simulações avançadas de centenas de milhares de sistemas binários, mostrou que apenas cerca de 0,1% dos casos reproduzem as condições observadas. Assim, essa explicação se mostra, na prática, tão improvável quanto a hipótese de formação em aglomerados globulares. O GRB 230307A configura, portanto, um caso extremo para o estudo da formação, evolução e colisão de estrelas compactas no universo.
Compreender a origem desse tipo de evento é essencial também para orientar futuras observações. As kilonovas desempenham um papel central na chamada astronomia multimensageira, podendo ser detectadas tanto por telescópios que captam radiação eletromagnética (no infravermelho e no visível) quanto por detectores de ondas gravitacionais. Até hoje, apenas uma kilonova foi observada simultaneamente por esses dois tipos de instrumentos, em 2017. No caso do evento de 2023, os detectores de ondas gravitacionais — LIGO, Virgo e KAGRA — não estavam em operação contínua.
These combined detections are fundamental for advances ranging from the physics of matter under extreme conditions to the understanding of the large-scale dynamics of the universe. The fact that, since 2017, there has been only one robust detection of this kind highlights important gaps in our current understanding of kilonovas and reinforces the need for further studies in this field.
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