Nova era da astronomia: Conjunta detecção de ondas gravitacionais

Nova era da astronomia: Conjunta detecção de ondas gravitacionais da fusão de duas estrelas de neutrons

LIGO e o detector Virgo com base na Europa e vários outros observatórios, anunciaram nesta segunda 16 de outubro a detecção de ondas gravitacionais da colisão de duas estrelas de nêutrons; anteriormente, eles haviam visto ondas gravitacionais apenas de colisões de buracos negros. O mais espetacular é que cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais observaram o evento, mais que isso, ele foi visto em luz óptica dentro das 11 horas da detecção de ondas gravitacionais.

Artwork que mostra o momento da colisão das estrelas de nêutrons, com feixes de energia disparando e ondas gravitacionais tremendo ondulações no continuo espaço-tempo. Crédito: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Formados a partir de estrelas maciças bilhões de anos antes, esses dois objetos supremamente densos haviam dançado uma a outra desde que o Universo era jovem. Nesse bailar, eles lentamente vazaram a energia sob a forma de ondas gravitacionais, ondulações no próprio tecido do espaço e do tempo. Lentamente, bem lentamente, eles se aproximaram, girando mais rápido, pouco a pouco, enquanto sua órbita mútua se estreitava.

As ondas que eles emitiram foram um sussurro no começo, apenas afetando o espaço ao seu redor. Mas, ao longo dos eons, o sussurro cresceu, até que a perda de energia fosse demais. Nos últimos poucos milissegundos, girando uma ao redor da outra em uma fração substancial da velocidade da luz, o sussurro de ondas gravitacionais se transformou em um grito, depois um rugido.

17 de agosto o cosmos dá um presente aos astrônomos tão precioso quanto qualquer coisa que eles poderiam ter imaginado: ondas gravitacionais provindos da fusão de duas estrelas de nêutrons.


O que é um Pulsar ou Estrela de Neutrons. Video do canal Astrum Physica no Youtube

A sequência de eventos começou às 8:41 EDT, quando um trem de ondas gravitacionais começou a rolar o detector Virgo perto de Pisa, Itália. As mesmas ondas retumbaram através do detector LIGO em Livingston, Louisiana, apenas 22 milésimos de segundo depois, depois o detector Twin LIGO em Hanford, Washington, a 3 milésimos de segundo depois disso.

Os instrumentos LIGO e Virgo detectaram um crescendo de ondas durante 100 segundos - muito mais do que as detecções anteriores. A duração, a amplitude e a freqüência das ondas apresentaram todas as características que os teóricos esperavam para um sistema binário consistindo de duas estrelas de nêutrons em uma espiral da morte que termina com coalescência. As duas estrelas de nêutrons tinham massas de cerca de 1,5 e 1,1 massas solares, respectivamente. Cerca de 1 a 2 por cento dessa massa provavelmente foi ejetada no espaço durante a fusão, o que provavelmente resultou em um buraco negro de quase 3 massas solares, embora os dados LIGO não provem que um buraco negro se formou. Se um buraco negro realmente se formou, é o buraco negro mais leve ainda conhecido.

Vendo A Luz
A detecção conjunta LIGO / Virgo por si só foi uma descoberta importante: a primeira detecção direta de ondas gravitacionais da fusão de estrelas de neutrões. Seguem-se de perto ao longo do anúncio de 3 de outubro de que os pais fundadores da LIGO, Rainer Weiss, Kip Thorne e Barry Barish, obtiveram o Prêmio Nobel de Física em 2017 pelos seus papéis fundamentais na detecção das primeiras ondas gravitacionais - ondulações no tecido do espaço-tempo primeiro previsto em 1915 por Albert Einstein em sua teoria da relatividade geral.

O Very Large Telescope foi usado para detectar GW170817 em NGC 4993; É o ponto logo acima à esquerda do núcleo da galáxia. Crédito: ESO / AJ Levan, NR Tanvir

Mas o que realmente torna este evento ainda mais espetacular é o fato de que as ondas gravitacionais foram acompanhadas por uma brilhante fonte de luz. As quatro descobertas anteriores do LIGO resultaram da inspiração e fusão de buracos negros binários, que não produziram luz detectável que pudesse revelar mais informações sobre os eventos. Isso era esperado: os buracos negros são essencialmente regiões onde o espaço-tempo colapsou em torno de si mesmo, então suas fusões não envolvem qualquer matéria que possa emitir luz.

Em contraste, as estrelas de nêutrons são objetos de tamanho de um grande cidade que consistem em matéria altamente comprimida, de modo que suas fusões são confusas e violentas. E é exatamente isso que foi visto. Apenas 1,7 segundos após a fusão de 17 de agosto, o telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA e o satélite europeu INTEGRAL pegaram uma explosão de raios gama (GRB) durando quase 2 segundos da mesma direção geral do céu. As equipes de Fermi e LIGO rapidamente alertaram os astrônomos de todo o mundo para procurar um resplendor.

Vários telescópios baseados no solo e no espaço se puaseram em ação. Dentro das 10 a 11 horas após a fusão, o Telescópio Blanco de 4 metros com base em Chile, com sua Câmera Dark Energy de campo amplo e o Telescópio Swope de 1 metro, identificaram de forma independente o pós-brilho óptico na galáxia elíptica NGC 4993, em a constelação do sul Hydra. A uma distância de 130 milhões de anos-luz, este foi um dos GRBs mais próximos observados. O telescópio espacial Hubble, o Observatório de raios-X de Chandra, o telescópio Very Large Array e vários outros telescópios estudaram o pós-brilho no espectro eletromagnético como parte de uma importante campanha internacional de observação. No total, o pós-brilho foi observado por 70 telescópios.

"Todas essas observações nos dão uma imagem muito mais completa da fusão de estrelas de nêutrons e suas conseqüências do que teríamos com ondas gravitacionais sozinhas, ou com luz sozinha", diz o membro da equipe LIGO, Amber Stuver, da Universidade Villanova, enfatizando a importância de astronomia multi-messenger.

Desde a década de 1990, os teóricos previram que alguns ou mais GRBs (explosões de raios gama) de curta duração - aqueles com duração de 2 segundos ou menos - originam-se de colisão de estrelas de nêutrons. Esta descoberta revela que eles estavam corretos. De acordo com a teoria, intensas forças de maré extraem material de ambas as estrelas de nêutrons momentos antes de se fundirem. A fusão produz um buraco negro, que devora devagar a maior parte do material circundante. A energia rotacional do buraco negro canaliza alguns desses problemas em dois jatos orientados de forma oposta que viajam a uma velocidade próxima da luz. À medida que o material de jato mais rápido bate em um material mais lento, ele gera choques que emitem um estímulo incrivelmente enérgico de raios gama que dura alguns segundos - exatamente o que o Fermi e o INTEGRAL observaram.

Os GRBs curtos estão entre as explosões mais poderosas do universo, liberando quase tanta energia em alguns segundos, que o Sol irradiará em toda a vida de 10 bilhões de anos. Mas eles são significativamente menos enérgicos do que seus primos de longa duração, que se pensa se originarem de explosões estrelas maciças.

Video da NASA mostrando a aproximação orbital, o crashing e a
criação de ondas gravitacionais de dois pulsares.

O fato de que os satélites observaram o GRB quase simultaneamente com a fusão de estrelas de neutrões apoia fortemente a previsão de Einstein de que as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz. A teoria prevê que o jato produz seus raios gama alguns segundos após a fusão das estrelas de nêutrons, de modo que o atraso de 1,7 segundos entre a fusão e o GRB coincide com a seqüência prevista de eventos se as ondas gravitacionais e os raios gama viajassem à velocidade da luz. De acordo com Julie McEnery do Goddard Space Flight Center da NASA, "Os raios gama e as ondas gravitacionais viajaram 130 milhões de anos no espaço e chegaram à Terra em 2 segundos [um do outro]. Einstein passou em outro teste. "

"Esse atraso é sobre o que esperávamos para o modelo geral de explosão de raios gama", diz o astrofísico de Penn State, Peter Mészáros, um dos autores da teoria do GRB. "O jato leva um certo tempo para se expandir antes que seja capaz de produzir os choques que produzem os raios-gama. O tempo atrasado está no balcão do que tínhamos estimado. Essa foi uma boa confirmação do modelo básico do GRB. "

A consistência entre as observações astronômicas LIGO, GRB e tradicionais, em conjunto com as previsões teóricas, remove dúvidas persistentes que a LIGO detectou ondas gravitacionais nos últimos dois anos. Como diz Stuver: "Nós temos todos esses dados redundantes chegando que está nos dizendo que isso não é um acidente."

As cinco detecções de ondas gravitacionais anunciadas pela LIGO combinam perfeitamente as previsões com base na relatividade geral. Nos quatro binários de buraco negro de fusão, os buracos negros continham 8 a 36 massas solares e as inspirações e fusões finais produziram ondas gravitacionais na banda de freqüência do LIGO por apenas 1/4 a 1,5 segundos. Como as estrelas de nêutrons têm massas muito baixas do que os buracos negros, a inspiração final e a fusão no evento de 17 de agosto se desenrolaram em uma escala de tempo muito mais longa, produzindo ondas na faixa de freqüência de LIGO por cerca de 100 segundos.

Nesses 100 segundos, os astrônomos viram cerca de 1.500 órbitas do par binário de estrelas de nêutrons; Os astrônomos imaginam que o sistema tinha cerca de 11 bilhões de anos. As estrelas de nêutrons estavam separadas apenas a 320 quilômetros quando os astrônomos as ouviram pela primeira vez, diz a astrofísica Vicky Kalogera, da Northwestern University.

Embora a sequência de eventos tenha sido reproduzida de forma muito próxima das previsões teóricas, o sinal da onda gravitacional foi um pouco mais fraco do que o esperado para que as estrelas de nêutrons colidissem a uma distância de 130 milhões de anos-luz. O curto GRB em si também era relativamente baixo em energia para a sua classe. As observações combinadas sugerem que vimos as estrelas de nêutrons orbitando umas às outras em um ângulo e que vimos o jato GRB em um outro ângulo em vez de olhar para o barril. Esses ângulos de visão compensados ​​reduziram a intensidade observada das ondas gravitacionais e dos raios gama.

Outras evidências para um ângulo de visão fora do eixo vem do fato de que demorou 9 dias para que a macronova ou uma 'supernova de processo-r' apareça em raios-X, quando Chandra a viu. Isso indica que o jato não estava apontando diretamente para a Terra. Esta é a primeira vez que os astrônomos observaram um jato fora do eixo em raios X, enquanto a própria emissão de raios X também suporta a noção de que um buraco negro se formou na fusão. Não houve detecções de rádio até o Very Large Array ter visto o pós-brilho 16 dias após a fusão. Esse atraso também indica que estávamos vendo o jato fora do eixo. A fonte de rádio ainda é brilhante e será a última a desaparecer.


A magia da realidade

Você vê? Esses elementos foram criados no coração da fusão catastrófica de duas estrelas maciças de nêutrons há milhões de anos em algum de nossa vizinhança cósmica, uma explosão tremenda mas breve que pode ter deixado um buraco negro e dispersou esses elementos preciosos no espaço.
Elementos como aqueles, que criaram uma nuvem de gás e pó, que colapsou para formar o Sol, os planetas ... e a Terra. 4,56 bilhões de anos depois, extraímos esses materiais do nosso planeta, os admiramos, os usamos para nos adornar e criamos máquinas que nos permitiram entender como esses elementos se formaram em seus primórdios.

O Universo criou as condições em que se pode estudar o próprio Universo. E este é um tempo extraordinário para se estar vivo e testemunhar tudo isso. Isso é o que significa esta  mais nova detecção.
Algumas pessoas me perguntam por que eu amo tanto astronomia. Eu acho essa pergunta divertida. Como você não pode?

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Pesquisador, entusiasta da ciência, e divulgador cientifico. Autor de vários sites e blogs de Ciencia, entre eles o Astrumphyca.org.. Ateu, é defensor fervoroso do secularismo na educação e na politica.

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