Fusão de estrelas de nêutrons gera ondas gravitacionais e um show de luz

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NSF, LIGO, A. Simonnet/Sonoma State Univ.

Por Adrian Cho
Publicado na Science

Quatro vezes nos últimos dois anos, físicos que trabalham com os detectores de ondas gravitacionais perceberam que alguma coisa surgiu na noite, enviando ondulações invisíveis através do espaço-tempo. Hoje, eles anunciaram a quinta detecção – mas desta vez os astrônomos viram isso também, em cada comprimento de onda da luz, da radiação gama até ondas de rádio. Assim como os físicos previram, a visão sem precedentes do cataclismo cósmico – em que duas estrelas de nêutrons superdensas se orbitaram e fundiram – trouxe consigo uma cornucópia de insights, cada uma delas por si só contaria como um grande avanço científico.

“É realmente um grande presente que a natureza nos deu”, diz Alessandra Corsi, radioastrônoma da Texas Tech University em Lubbock. “É um evento que muda a nossa vida”.

Às 12h41, horário universal em 17 de agosto, físicos com três instrumentos – os detectores gêmeos de 8 quilômetros do LIGO, em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, e o detector Virgo de 6 quilômetros perto de Pisa, Itália – detectaram ondas diferentes das vistas anteriormente. Os quatro eventos anteriores duraram, no máximo, alguns segundos, com ondas gravitacionais ondulando em frequências de dezenas de ciclos por segundo. Desta vez durou 100 segundos em frequências subindo para milhares de ciclos por segundo. Enquanto o sinal anterior veio de pares de enormes buracos negros orbitando rapidamente e colidindo, o novo sinal revelou estrelas de nêutrons mais leves, com 1,1 e 1,6 massas solares, girando inexoravelmente juntas, anunciaram os pesquisadores em conferências de imprensa paralelas em Washington, DC, e Garching, Alemanha.

As ondas gravitacionais marcaram o início de um espetacular show de luz. Como os buracos negros são os campos gravitacionais deixados para trás quando as estrelas muito massivas colapsam em pontos infinitesimais, eles não irradiam luz quando um par se funde. Em contraste, as estrelas de nêutrons são os núcleos mortos deixados para trás quando estrelas ligeiramente pequenas explodem em supernovas, e consistem em nêutrons quase puros na matéria mais densa que existe. Quando tais estrelas colidem, elas expelem detritos e brilham com luz de todos os comprimentos de onda.

Isso é exatamente o que aconteceu. Dois segundos após o sinal gravitacional, que apenas o “gatilho” automatizado do detector Hanford detectou inicialmente, o telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA registrou uma explosão de fótons de alta energia, chamado explosão de raios gama. Em poucos minutos, pesquisadores dos detectores Livingston e Virgo confirmaram o sinal gravitacional em seus dados. Ainda assim, o LIGO levou cerca de uma hora para emitir um alerta detalhado, diz Julie McEnery, astrofísica do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e membro da equipe Fermi. McEnery diz que descobriu sobre o sinal gravitacional por meio de um rumor de um colega que trabalha no Fermi e no LIGO. “Meia hora [após o alerta de Fermi] recebemos um e-mail que dizia:” Esta explosão de raios gama tem um amigo interessante”, diz ela.

Como todos os três detectores de ondas gravitacionais viram o sinal, os físicos poderiam triangular e localizar a fonte dentro de um limite de 30 metros quadrados de céu – cerca de 60 vezes o tamanho da Lua e muito mais preciso do que a localização de Fermi. Os astrônomos apontaram telescópios grandes e pequenos no local da constelação Hydra. A pesquisa teve um início lento, porque essa parte do céu estava em plena luz solar para muitos observatórios. Mas, em poucas horas, cinco grupos identificaram uma nova fonte de luz na periferia da galáxia NGC 4993, e assistiram ao desvanecimento do azul brilhante ao vermelho escuro em questão de dias. Quase duas semanas depois, a fonte começou a emitir raios-x e ondas de rádio.

No final, mais de 70 observatórios estudaram o evento. “Esta é a primeira vez que temos uma visão 3D Imax de um evento astronômico”, diz Laura Cadonati, física do Georgia Institute of Technology em Atlanta e porta-voz adjunta da colaboração LIGO.

Chris Bickel/Science.

A combinação de ondas gravitacionais e observações eletromagnéticas obteve pelo menos três avanços significativos. Primeiro, explica as origens de algumas rajadas de raios gama, o segundo eventos mais poderoso conhecidos no cosmos, além da fusão de buracos negros. Desde a década de 1990, os teóricos pensam que as explosões com menos dois segundos se originam quando estrelas de nêutrons se fundem para criar um buraco negro (novas explosões, durando ​​minutos, são pensadas para surgir do colapso de estrelas massivas individuais). O novo resultado garante a explicação de rajadas curtas, diz Peter Mészáros, teórico da Pennsylvania State University no State College. “É tremendo”, diz ele. “Se você tem ondas gravitacionais com uma explosão, você sabe que deve vir de umpar de estrelas de nêutrons”.

Em segundo lugar, o evento revela um objeto hipotetizado chamado kilonova, porque brilha brevemente mais de mil vezes que uma nova comum. À medida que duas estrelas de nêutrons se agitam e se separam mutuamente, elas devem expulsar núcleos atômicos ricos em nêutrons, formando uma mortalha de matéria que totaliza alguns por cento da massa solar. Esses núcleos são reforçados por engarrafar nêutrons em rápida sucessão e depois mudam rapidamente suas identidades químicas através da decomposição radioativa. O chamado processo-r – ou processo de captura de nêutrons rápidos – deve fazer o reforço brilhar por alguns dias, e sua luz deve ser avermelhada por elementos pesados ​​que absorvem os comprimentos de onda azuis. Isso é exatamente o que os astrônomos viram, diz Brian Metzger, teórico da Universidade de Columbia. “É deslumbrante. De repente, a cortina levanta e o que vemos parece muito próximo do que esperávamos”.

A observação de uma kilonova obtém um terceiro avanço ao resolver um enigma de longa data da física nuclear: a origem da metade dos elementos mais pesados ​​do que o ferro, incluindo prata, ouro e platina. Os físicos nucleares pensam há muito tempo que esses elementos são gerados no processo-r, mas não sabem onde no cosmos que isso acontece – seja no colapso de estrelas individuais ou na fusão de estrelas de nêutrons. O novo achado mostra que alguns e, possivelmente, todos os elementos do mistério vêm de espirais de morte de estrelas de nêutrons. “Para mim, como físico nuclear, este é um resultado extremamente importante”, diz Witold Nazarewicz, teórico da Universidade Estadual de Michigan em East Lansing, onde os pesquisadores estão construindo um acelerador de US$730 milhões, em parte para estudar o processo-r.

A fusão de estrelas de nêutrons apresenta alguns enigmas próprios. Por exemplo, os raios-gama eram relativamente fracos, mesmo que a explosão fosse mais próxima do que qualquer explosão curta previamente medida por um fator de 10, McEnery nota. Isso pode ser porque os pesquisadores viram a fusão de um ângulo engraçado, ela diz. Uma explosão de raios-gama é pensada para surgir quando jatos de matéria quente movendo-se a velocidade próxima da luz disparam ao longo do eixo rotacional do buraco negro recém-nascido, radiação emitida para o espaço como um farol. Neste caso, observadores na Terra podem não estar olhando diretamente para o jato, mas podem vê-lo de um ângulo leve, diz McEnery – a primeira visão fora dos eixos dos astrônomos de um jato astrofísico.

O longo atraso antes que os astrônomos começassem a apanhar o rádio e as emissões de raios-X suportam essa imagem, diz Raffaella Margutti, astrofísica da Universidade Northwestern em Evanston, Illinois, que estudou o evento com o Observatório de raios-X Chandra da NASA. O rádio e os sinais de raios-x provêm do jato, que inicialmente os teria irradiado muito estreitamente ao longo de seu eixo para ser visto a partir da Terra. Como o jato diminuiu, no entanto, a radiação emergiu em ângulos mais largos, tornando os sinais detectáveis ​​fora dos eixos

Desde que o LIGO anunciou o primeiro evento de onda gravitacional no início de 2016, redes de pequenos telescópios em todo o mundo foram preparadas para detectar uma “contrapartida ótica”. A corrida por este último evento foi conquistada por Ryan Foley, da Universidade da Califórnia (UC), Santa Cruz e colegas. Eles usaram telescópios de 1 metro no Mount Hamilton, Califórnia, e no Cerro Las Campanas no Chile para acompanhar os alertas do LIGO/Virgo. Às 23h33, hora universal, 11 horas e 52 minutos após as ondas gravitacionais chegarem, a equipe usou o telescópio no Chile para tirar uma imagem da NGC 4993, e Charles Kilpatrick, pós-doc na UC Santa Cruz, viu um ponto brilhante não visível em imagens arquivadas da galáxia. “Encontrei algo”, ele comentou com frieza em uma troca de mensagens online. Dentro dos 40 minutos, quatro outras equipes haviam descoberto de forma independente o mesmo objeto ótico.

O rumor se espalhou quase que instantaneamente pela internet. Dentro de alguns dias, outros cientistas e jornalistas conheciam os contornos da descoberta, e as equipes do LIGO e do Virgo lutaram para manter as novidades até o evento de imprensa de hoje. Essa não foi uma tarefa fácil, dado que os astrônomos tendem a trabalhar em equipes pequenas e altamente competitivas, diz Andrew Howell, astrônomo da UC Santa Barbara, e cientista da equipe do Observatório de Las Cumbres, que também acompanhou o evento. Acostumados a trabalhar como uma grande equipe, os físicos do LIGO “não estavam absolutamente preparados para o caos que é a comunidade astronômica”, diz ele.

No entanto, astrônomos e astrofísicos se juntaram para escrever um único artigo sobre o evento. Foi submetido ao The Astrophysical Journal Letters e alguns pesquisadores dizem que tem 4600 autores – aproximadamente 1/3 de todos os astrônomos. Além disso, grupos individuais estão publicando dúzias de outros artigos na Science, Nature e outras revistas.

Com um evento espetacular na bagagem, a era da astronomia de ondas gravitacionais começou. O próximo passo é simplesmente ver mais eventos e começar a fazer análises estatísticas sobre eles, dizem os astrônomos. Mas, por enquanto, toda a comunidade está aproveitando o brilho da descoberta e o sucesso impressionante de seus modelos. “Às vezes, eu me pergunto se estamos todos apenas vagando”, diz Howell. “São momentos como esse que me asseguram que a ciência funciona”.

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