Em 16 de outubro, os astrônomos relataram que em 17 de agosto, pela primeira vez na história, ondas gravitacionais provenientes da fusão de dois estrelas de nêutrons. 70 grupos de cientistas estiveram envolvidos nas observações e 4.600 astrônomos - mais de um terço de todos os astrônomos do mundo - tornaram-se coautores de um dos artigos dedicados a este evento. O site N+1 explicou num longo artigo porque esta é uma descoberta importante e que questões ela ajudará a responder.
Em 17 de agosto de 2017, às 15h41min04s, horário de Moscou, o detector do observatório LIGO em Hanford (Washington) ouviu uma onda gravitacional de duração recorde - o sinal durou cerca de cem segundos. Este é um período de tempo muito longo - para efeito de comparação, os quatro registros anteriores de ondas gravitacionais não duraram mais do que três segundos. O programa de notificação automática foi ativado. Os astrônomos verificaram os dados: descobriu-se que o segundo detector LIGO (na Louisiana) também detectou a onda, mas o gatilho automático não funcionou devido ao ruído de curto prazo.
1,7 segundos depois do detector de Hanford, o sistema automático dos telescópios Fermi e Integral, observatórios cósmicos de raios gama que observam alguns dos eventos de maior energia do Universo, foi acionado independentemente dele. Os instrumentos detectaram um flash brilhante e determinaram aproximadamente suas coordenadas. Ao contrário do sinal gravitacional, o flash durou apenas dois segundos. Curiosamente, o “Integral” russo-europeu notou a explosão de raios gama com “visão lateral” - “cristais protetores” do detector principal. No entanto, isso não impediu a triangulação do sinal.
Cerca de uma hora depois, o LIGO enviou informações sobre as possíveis coordenadas da origem das ondas gravitacionais - esta área foi identificada graças ao fato de o detector Virgo também ter notado o sinal. Com base nos atrasos com que os detectores começaram a receber o sinal, ficou claro que, muito provavelmente, a fonte estava no hemisfério sul: o sinal chegou primeiro a Virgem e só então, 22 milissegundos depois, foi registrado pelo observatório LIGO. A área inicial recomendada para busca atingiu 28 graus quadrados, o que equivale a centenas de áreas da Lua.
O próximo passo foi combinar dados de observatórios de raios gama e gravitacionais e procurar a fonte exata da radiação. Como nem os telescópios de raios gama, nem especialmente os gravitacionais, permitiram encontrar o ponto desejado com grande precisão, os físicos iniciaram várias buscas ópticas ao mesmo tempo. Uma delas é com a ajuda do sistema de telescópio robótico “MASTER”, desenvolvido no SAI MSU.
Observação de kilonova do Observatório Europeu do SulObservatório Europeu do Sul (ESO)
O telescópio chileno Swope conseguiu detectar o brilho desejado entre milhares de possíveis candidatos - quase 11 horas após as ondas gravitacionais. Os astrônomos detectaram um novo ponto luminoso na galáxia NGC 4993 na constelação de Hidra, seu brilho não excedeu a magnitude 17. Tal objeto é bastante acessível para observação em telescópios semiprofissionais.
Cerca de uma hora depois disso, independentemente do Swope, mais quatro observatórios encontraram a fonte, incluindo o telescópio argentino da rede MASTER. Depois disso, começou uma campanha de observação em grande escala, à qual se juntaram os telescópios do Observatório do Sul da Europa, Hubble, Chandra, o conjunto de radiotelescópios VLA e muitos outros instrumentos - no total, mais de 70 grupos de cientistas observaram o desenvolvimento de eventos. Após nove dias, os astrônomos conseguiram obter uma imagem na faixa de raios X, e após 16 dias - na faixa de radiofrequência. Infelizmente, depois de algum tempo o Sol se aproximou da galáxia e em setembro as observações tornaram-se impossíveis.
Um padrão de explosão tão característico em muitas faixas eletromagnéticas foi previsto e descrito há muito tempo. Corresponde à colisão de duas estrelas de nêutrons - objetos ultracompactos constituídos por matéria de nêutrons.
Segundo os cientistas, a massa das estrelas de nêutrons era de 1,1 e 1,6 massas solares (a massa total foi determinada com relativa precisão - cerca de 2,7 massas solares). As primeiras ondas gravitacionais surgiram quando a distância entre os objetos era de 300 quilômetros.
A grande surpresa foi a pequena distância deste sistema à Terra – cerca de 130 milhões de anos-luz. Para efeito de comparação, isso é apenas 50 vezes mais longe do que a distância entre a Terra e a Nebulosa de Andrômeda, e quase uma ordem de magnitude menor que a distância do nosso planeta aos buracos negros cujas colisões foram registradas anteriormente pelo LIGO e Virgo. Além disso, a colisão tornou-se a fonte mais próxima de uma curta explosão de raios gama da Terra.
Estrelas binárias de nêutrons são conhecidas desde 1974 - um desses sistemas foi descoberto pelos ganhadores do Nobel Russell Hulse e Joseph Taylor. No entanto, até agora, todas as estrelas duplas de neutrões conhecidas estavam na nossa Galáxia, e a estabilidade das suas órbitas era suficiente para que não colidissem nos próximos milhões de anos. O novo par de estrelas chegou tão perto que a interação começou e o processo de transferência de matéria começou a se desenvolver.
Colisão de duas estrelas de nêutrons. Animação da Nasa
O evento foi chamado de quilonova. Literalmente, isso significa que o brilho da explosão foi cerca de mil vezes mais poderoso do que as típicas explosões de novas - sistemas binários nos quais uma companheira compacta puxa a matéria para si.
A gama completa de dados recolhidos já permite aos cientistas considerar o evento uma pedra angular da futura astronomia de ondas gravitacionais. Com base nos resultados do processamento de dados durante dois meses, cerca de 30 artigos foram escritos em revistas importantes: sete em Natureza E Ciência, bem como trabalhar em Cartas de diários astrofísicos e outras publicações científicas. Um desses artigos foi escrito em coautoria por 4.600 astrónomos de diversas colaborações – mais de um terço de todos os astrónomos do mundo.
Estas são as questões-chave que os cientistas conseguiram responder verdadeiramente pela primeira vez.
As explosões de raios gama são alguns dos eventos de maior energia do Universo. O poder de uma dessas explosões é suficiente para liberar no espaço circundante em segundos tanta energia quanto o Sol gera em 10 milhões de anos. Existem explosões curtas e longas de raios gama; Além disso, acredita-se que se trate de fenômenos com mecanismos diferentes. Por exemplo, o colapso de estrelas massivas é considerado a fonte de longas explosões.
Acredita-se que as fontes de curtas explosões de raios gama sejam fusões de estrelas de nêutrons. No entanto, até agora não houve nenhuma evidência direta disso. As novas observações são a prova mais forte até à data da existência deste mecanismo.
A nucleossíntese - fusão dos núcleos das estrelas - permite a obtenção de uma vasta gama de elementos químicos. Para núcleos leves, as reações de fusão prosseguem com a liberação de energia e são geralmente energeticamente favoráveis. Para elementos cuja massa se aproxima da massa do ferro, o ganho de energia já não é tão grande. Por causa disso, quase nenhum elemento mais pesado que o ferro é formado nas estrelas – com exceção das explosões de supernovas. Mas são completamente insuficientes para explicar a prevalência de ouro, lantanídeos, urânio e outros elementos pesados no Universo.
Em 1989, os físicos sugeriram que a r-nucleossíntese em fusões de estrelas de nêutrons poderia ser a responsável. Você pode ler mais sobre isso no blog do astrofísico Marat Musin. Até agora, esse processo era conhecido apenas em teoria.
Estudos espectrais do novo evento mostraram traços claros do nascimento de elementos pesados. Assim, graças aos espectrômetros do Very Large Telescope (VLT) e do Hubble, os astrônomos descobriram a presença de césio, telúrio, ouro e platina. Também há evidências da formação de xenônio, iodo e antimônio. Os físicos estimam que a colisão ejetou uma massa total de elementos leves e pesados equivalente a 40 vezes a massa de Júpiter. Só o ouro, segundo modelos teóricos, produz cerca de 10 vezes a massa da Lua.
A taxa de expansão do Universo pode ser estimada experimentalmente usando “velas padrão” especiais. São objetos para os quais o brilho absoluto é conhecido, o que significa que a relação entre o brilho absoluto e aparente pode ser usada para inferir a que distância eles estão. A taxa de expansão a uma determinada distância do observador é determinada pelo deslocamento Doppler de, por exemplo, linhas de hidrogênio. O papel das “velas padrão” é desempenhado, por exemplo, pelas supernovas do tipo Ia (“explosões” de anãs brancas) - aliás, foi na amostra delas que a expansão do Universo foi comprovada.
Observando a fusão de duas estrelas de nêutrons com o telescópio do Observatório do Paranal (Chile)Observatório Europeu do Sul (ESO)
A constante de Hubble especifica uma dependência linear da taxa de expansão do Universo a uma determinada distância. Cada determinação independente do seu valor permite-nos verificar a validade da cosmologia aceita.
As fontes das ondas gravitacionais também são “velas padrão” (ou, como são chamadas no artigo, “sirenes”). Pela natureza das ondas gravitacionais que eles criam, pode-se determinar independentemente a distância até elas. Foi exatamente disso que os astrônomos aproveitaram em um dos novos trabalhos. O resultado coincidiu com outras medições independentes - baseadas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e em observações de objetos com lentes gravitacionais. A constante é de aproximadamente 62–82 quilômetros por segundo por megaparsec. Isto significa que duas galáxias separadas por 3,2 milhões de anos-luz estão, em média, afastando-se a uma velocidade de 70 quilómetros por segundo. Novas fusões de estrelas de nêutrons ajudarão a melhorar a precisão desta estimativa.
A teoria da relatividade geralmente aceita hoje prevê com precisão o comportamento das ondas gravitacionais. No entanto, a teoria quântica da gravidade ainda não foi desenvolvida. Existem várias hipóteses sobre como ele poderia ser estruturado - são projetos teóricos com um grande número de parâmetros desconhecidos. A observação simultânea da radiação eletromagnética e das ondas gravitacionais permitirá esclarecer e estreitar os limites desses parâmetros, bem como descartar algumas hipóteses.
Por exemplo, o facto de as ondas gravitacionais terem chegado 1,7 segundos antes dos raios gama confirma que elas de facto viajam à velocidade da luz. Além disso, o próprio atraso pode ser usado para testar o princípio de equivalência subjacente à relatividade geral.
Conhecemos a estrutura das estrelas de nêutrons apenas em termos gerais. Eles têm uma crosta de elementos pesados e um núcleo de nêutrons – mas, por exemplo, ainda não sabemos a equação de estado da matéria de nêutrons no núcleo. E disso depende, por exemplo, a resposta a uma pergunta tão simples: o que exatamente se formou durante a colisão que os astrônomos observaram?
Visualização de ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons
Assim como as anãs brancas, as estrelas de nêutrons têm o conceito de massa crítica, acima da qual o colapso pode começar. Dependendo se a massa do novo objeto excedeu ou não a massa crítica, existem vários cenários para o desenvolvimento de eventos. Se a massa total for muito grande, o objeto entrará imediatamente em colapso em um buraco negro. Se a massa for um pouco menor, então pode surgir uma estrela de nêutrons em rotação rápida e sem equilíbrio, que, no entanto, também acabará colapsando em um buraco negro. Uma opção alternativa é a formação de um magnetar, um buraco de nêutrons em rotação rápida com um enorme campo magnético. Aparentemente, um magnetar não foi formado na colisão; a forte radiação de raios X que a acompanha não foi detectada.
Segundo Vladimir Lipunov, chefe da rede MASTER, os dados atualmente disponíveis não são suficientes para saber exatamente o que se formou a partir da fusão. No entanto, os astrônomos já possuem uma série de teorias que serão publicadas nos próximos dias. Pode ser possível determinar a massa crítica desejada a partir de futuras fusões de estrelas de nêutrons.
Vladímir Korolev, N+1
Hoje, numa conferência de imprensa em Washington, os cientistas anunciaram oficialmente o registo de um evento astronómico que ninguém tinha registado antes - a fusão de duas estrelas de neutrões. Com base nos resultados da observação, foram publicados mais de 30 artigos científicos em cinco revistas, por isso não podemos falar de tudo de uma vez. Aqui está um resumo e as descobertas mais importantes.
Os astrónomos observaram a fusão de duas estrelas de neutrões e o nascimento de um novo buraco negro.
Estrelas de nêutrons são objetos que aparecem como resultado de explosões de estrelas grandes e massivas (várias vezes mais pesadas que o Sol). Seus tamanhos são pequenos (geralmente não têm mais de 20 quilômetros de diâmetro), mas sua densidade e massa são enormes.
A fusão de duas estrelas de nêutrons criou um buraco negro a 130 milhões de anos-luz da Terra – um objeto ainda mais massivo e denso que a estrela de nêutrons. A fusão de estrelas e a formação de um buraco negro foram acompanhadas pela liberação de enorme energia na forma de radiação gravitacional, de raios gama e óptica. Todos os três tipos de radiação foram registrados por telescópios terrestres e orbitais. A onda gravitacional foi registrada pelos observatórios LIGO e VIRGO.
Esta onda gravitacional foi a onda de maior energia observada até agora.
Todos os tipos de radiação atingiram a Terra em 17 de agosto. Primeiro, os interferômetros laser terrestres LIGO e Virgo registraram a compressão e expansão periódicas do espaço-tempo - uma onda gravitacional que circulou o globo várias vezes. O evento que gerou a onda gravitacional foi denominado GRB170817A. Alguns segundos depois, o Telescópio de Raios Gama Fermi da NASA detectou fótons de alta energia na faixa dos raios gama.
Neste dia, grandes e pequenos telescópios terrestres e orbitais operando em todas as distâncias olharam para um ponto no espaço.
Com base nos resultados das observações, a Universidade da Califórnia (Berkeley) fez uma simulação computacional da fusão de estrelas de nêutrons. Ambas as estrelas eram, aparentemente, um pouco mais massivas que o Sol (mas ao mesmo tempo muito menores em raio). Essas duas bolas de densidade incrível giravam uma em torno da outra, acelerando constantemente. Veja como foi:
Como resultado da fusão de estrelas de nêutrons, átomos de elementos pesados - ouro, urânio, platina - foram liberados no espaço sideral; os astrônomos acreditam que tais eventos são a principal fonte desses elementos no universo. Os telescópios ópticos “viram” primeiro a luz visível azul e depois a radiação ultravioleta, que deu lugar à luz vermelha e à radiação na faixa infravermelha.
Esta sequência corresponde às previsões teóricas. De acordo com a teoria, quando as estrelas de nêutrons colidem, elas perdem parte de sua matéria - ela é espalhada ao redor do local da colisão com uma enorme nuvem de nêutrons e prótons. Quando um buraco negro começa a se formar, um disco de acreção se forma ao seu redor, no qual as partículas giram a velocidades enormes – tão grandes que algumas superam a gravidade do buraco negro e voam para longe.
Este destino aguarda aproximadamente 2% da questão das estrelas em colisão. Essa substância forma uma nuvem ao redor do buraco negro com diâmetro de dezenas de milhares de quilômetros e densidade aproximadamente igual à do Sol. Os prótons e nêutrons que compõem esta nuvem se unem para formar núcleos atômicos. Então começa a decadência desses núcleos. Os astrónomos na Terra observaram a radiação dos núcleos em decomposição durante vários dias. Nos milhões de anos desde o evento GRB170817A, esta radiação preencheu toda a galáxia.
Resultados observacionais podem no futuro lançar luz sobre o mistério da estrutura das estrelas de nêutrons e da formação de elementos pesados no Universo
Representação artística de ondas gravitacionais geradas pela fusão de duas estrelas de nêutrons
Imagem: R. Hurt/Caltech-JPL
Moscou. 16 de outubro. site - Pela primeira vez na história, cientistas registraram ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons – objetos superdensos com massa do tamanho do nosso Sol e do tamanho de Moscou, relata o site N+1.
A subsequente explosão de raios gama e a explosão de quilonova foram observadas por cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais - eles foram capazes de ver o processo de síntese de elementos pesados previsto por teóricos, incluindo ouro e platina, e confirmar a correção das hipóteses sobre a natureza das misteriosas explosões curtas de raios gama, informa o serviço de imprensa da colaboração LIGO/Virgo, Observatório Europeu do Sul e Observatório Los Cumbres. Os resultados observacionais podem lançar luz sobre o mistério da estrutura das estrelas de nêutrons e da formação de elementos pesados no Universo.
As ondas gravitacionais são ondas de vibrações na geometria do espaço-tempo, cuja existência foi prevista pela teoria geral da relatividade. A colaboração LIGO relatou pela primeira vez a sua descoberta confiável em fevereiro de 2016 – 100 anos depois das previsões de Einstein.
Alegadamente, na manhã de 17 de agosto de 2017 (às 8h41, horário da Costa Leste, quando eram 15h41 em Moscou), sistemas automáticos em um dos dois detectores do observatório de ondas gravitacionais LIGO detectaram a chegada de uma onda gravitacional vinda do espaço. O sinal foi designado GW170817, a quinta vez que ondas gravitacionais foram detectadas desde que foram detectadas pela primeira vez em 2015. Apenas três dias antes, o observatório LIGO “ouviu” uma onda gravitacional pela primeira vez, juntamente com o projeto europeu Virgo.
Porém, desta vez, apenas dois segundos após o evento gravitacional, o telescópio espacial Fermi registrou um flash de raios gama no céu meridional. Quase no mesmo momento, o observatório espacial europeu-russo INTEGRAL viu o clarão.
Os sistemas automatizados de análise de dados do LIGO concluíram que a coincidência destes dois eventos é extremamente improvável. Durante a busca por informações adicionais, descobriu-se que a onda gravitacional também foi vista pelo segundo detector LIGO, bem como pelo observatório gravitacional europeu Virgo. Astrônomos de todo o mundo foram colocados em alerta - muitos observatórios, incluindo o Observatório Europeu do Sul e o Telescópio Espacial Hubble, começaram a procurar a fonte das ondas gravitacionais e de uma explosão de raios gama.
A tarefa não foi fácil - os dados combinados do LIGO/Virgo, Fermi e INTEGRAL permitiram delinear uma área de 35 graus quadrados - esta é a área aproximada de várias centenas de discos lunares. Apenas 11 horas depois, o pequeno telescópio Swope com espelho de um metro de comprimento localizado no Chile obteve a primeira imagem da suposta fonte - parecia uma estrela muito brilhante próxima à galáxia elíptica NGC 4993 na constelação de Hydra. Nos cinco dias seguintes, o brilho da fonte caiu por um fator de 20 e a cor mudou gradualmente de azul para vermelho. Todo esse tempo, o objeto foi observado por diversos telescópios nas faixas do raio X ao infravermelho, até que em setembro a galáxia ficou muito próxima do Sol e se tornou inacessível para observação.
Os cientistas concluíram que a origem da explosão estava na galáxia NGC 4993, a uma distância de cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra. Isto está incrivelmente próximo; até agora, as ondas gravitacionais chegaram até nós de distâncias de bilhões de anos-luz. Graças a esta proximidade pudemos ouvi-los. A fonte da onda foi a fusão de dois objetos com massas na faixa de 1,1 a 1,6 massas solares - só poderiam ser estrelas de nêutrons.
Localização da fonte de ondas gravitacionais na galáxia NGC 4993
A explosão em si “soou” por um longo tempo - cerca de 100 segundos; foram produzidas rajadas que duraram uma fração de segundo. Um par de estrelas de nêutrons girava em torno de um centro de massa comum, perdendo gradualmente energia na forma de ondas gravitacionais e aproximando-se. Quando a distância entre eles foi reduzida para 300 km, as ondas gravitacionais tornaram-se poderosas o suficiente para cair na zona de sensibilidade dos detectores gravitacionais LIGO/Virgo. As estrelas de nêutrons conseguiram completar 1,5 mil voltas uma em torno da outra. Quando duas estrelas de nêutrons se fundem em um objeto compacto (uma estrela de nêutrons ou um buraco negro), ocorre uma poderosa explosão de radiação gama.
Os astrônomos chamam essas explosões de raios gama de explosões curtas de raios gama; os telescópios de raios gama as detectam cerca de uma vez por semana. A breve explosão de raios gama relatada da fusão da estrela de nêutrons durou 1,7 segundos.
Se a natureza das explosões longas de raios gama for mais clara (suas fontes são explosões de supernovas), então não houve consenso sobre as fontes das explosões curtas. Havia a hipótese de que eles fossem gerados por fusões de estrelas de nêutrons.
Agora os cientistas conseguiram confirmar esta hipótese pela primeira vez, pois graças às ondas gravitacionais conhecemos a massa dos componentes fundidos, o que prova que se trata de estrelas de nêutrons.
"Durante décadas suspeitámos que curtas explosões de raios gama produziam fusões de estrelas de neutrões. Agora, graças aos dados do LIGO e do Virgo sobre este evento, temos a resposta. As ondas gravitacionais dizem-nos que os objetos em fusão tinham massas correspondentes a estrelas de neutrões, e uma explosão de raios gama diz "que é improvável que esses objetos sejam buracos negros, uma vez que as colisões de buracos negros não deveriam produzir radiação", diz Julie McEnery, cientista do projeto Fermi no Goddard Space Flight Center da NASA.
Além disso, os astrônomos receberam pela primeira vez uma confirmação inequívoca da existência de erupções de quilonovas (ou “macron”), que são aproximadamente 1 mil vezes mais poderosas que as erupções de novas comuns. Os teóricos previram que as quilonovas poderiam surgir da fusão de estrelas de nêutrons ou de uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
Isso desencadeia o processo de síntese de elementos pesados, baseado na captura de nêutrons pelos núcleos (processo r), como resultado do surgimento de muitos dos elementos pesados, como ouro, platina ou urânio, no Universo.
Segundo os cientistas, uma explosão de quilonova pode produzir uma enorme quantidade de ouro – até dez vezes a massa da Lua. Até agora, apenas uma vez foi observado um evento que poderia ter sido uma explosão de quilonova.
Agora, pela primeira vez, os astrónomos conseguiram observar não só o nascimento de uma quilonova, mas também os produtos do seu “trabalho”. Os espectros obtidos com os telescópios Hubble e VLT (Very Large Telescope) mostraram a presença de césio, telúrio, ouro, platina e outros elementos pesados formados durante a fusão de estrelas de nêutrons.
11 horas após a colisão, a temperatura da quilonova era de 8 mil graus, e a sua velocidade de expansão atingiu cerca de 100 mil quilómetros por segundo, nota o N+1, citando dados do Sternberg State Astronomical Institute (SAI).
O ESO disse que a observação correspondeu quase perfeitamente à previsão de como as duas estrelas de nêutrons se comportariam durante uma fusão.
"Até agora, os dados que obtivemos estão em excelente acordo com a teoria. Isto é um triunfo para os teóricos, uma confirmação da realidade absoluta dos eventos registados pelos observatórios LIGO e VIrgo, e um feito notável para o ESO, que foi capaz de obter tais observações de uma quilonova," diz Stefano Covino, primeiro autor de um dos artigos na Nature Astronomy.
Foi assim que os astrônomos viram a colisão de estrelas de nêutrons
Os cientistas ainda não têm uma resposta para a questão do que resta após a fusão das estrelas de nêutrons - pode ser um buraco negro ou uma nova estrela de nêutrons. Além disso, não está totalmente claro por que a explosão de raios gama acabou sendo ser relativamente fraco.
Cientistas russos, como parte das colaborações LIGO e Virgo, detectaram pela primeira vez ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons. Este é o primeiro evento cósmico observado em ondas gravitacionais e eletromagnéticas. A descoberta foi apresentada hoje em conferências de imprensa em Washington e Moscovo. Os resultados também serão publicados na revista Physical Review Letters.
Duas semanas depois de o Prémio Nobel da Física ter sido atribuído a três investigadores norte-americanos pela descoberta de ondas gravitacionais, a colaboração LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, EUA) e Virgo (um observatório semelhante em Itália) anunciaram que tinham detetado pela primeira vez tempo ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons, e esse fenômeno foi observado em interferômetros laser que registram ondas gravitacionais, usando observatórios espaciais (Integral, Fermi) e telescópios terrestres que registram radiação eletromagnética. No total, este fenômeno foi observado por cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais em todo o mundo, incluindo a rede MASTER de telescópios robóticos (M.V. Lomonosov Moscow State University).
“A primeira detecção direta de ondas gravitacionais provenientes da colisão de buracos negros pelo observatório LIGO ocorreu há cerca de dois anos. Uma nova janela para o Universo foi aberta. Já hoje vemos que oportunidades sem precedentes este novo canal de obtenção de informação em combinação com a astronomia tradicional cria para os investigadores”, afirma Valery Mitrofanov, professor da Faculdade de Física da Universidade Estatal de Moscovo.
Em 17 de agosto, ambos os detectores LIGO detectaram um sinal gravitacional chamado GW170817. As informações fornecidas pelo terceiro detector de Virgem melhoraram significativamente a localização do evento cósmico. Quase ao mesmo tempo (cerca de dois segundos após as ondas gravitacionais), o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA e o Laboratório Internacional de Astrofísica de Raios Gama INTEGRAL (INTEGRAL) detectaram explosões de raios gama. Nos dias seguintes, foram registradas radiações eletromagnéticas em outras faixas, incluindo raios X, ultravioleta, ópticas, infravermelhas e ondas de rádio.
Os sinais dos detectores LIGO mostraram que as ondas gravitacionais detectadas foram emitidas por dois objetos astrofísicos girando um em relação ao outro e localizados a uma distância relativamente próxima, cerca de 130 milhões de anos-luz, da Terra. Descobriu-se que os objetos eram menos massivos do que os buracos negros binários descobertos anteriormente pelo LIGO e Virgo. Suas massas foram calculadas entre 1,1 e 1,6 massas solares, o que está dentro da faixa de massa das estrelas de nêutrons, as estrelas menores e mais densas. Seu raio típico é de apenas 10 a 20 quilômetros.
Recebidas as coordenadas, em poucas horas os observatórios puderam começar a pesquisar a área do céu onde o evento supostamente ocorreu. Um novo ponto brilhante semelhante a uma nova foi descoberto por telescópios ópticos. No final das contas, cerca de 70 observatórios na Terra e no espaço observaram o evento em várias faixas de comprimento de onda. Nos dias seguintes à colisão, foi registrada radiação eletromagnética nas faixas de raios X, ultravioleta, óptica, infravermelha e ondas de rádio.
“Pela primeira vez, em contraste com as fusões de buracos negros “solitários”, um evento de “companhia” foi registado não apenas por detectores gravitacionais, mas também por telescópios ópticos e de neutrinos. Esta é a primeira dança circular de observações em torno de um evento”, disse um professor da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou em homenagem a M.V. Lomonosov Sergey Vyatchanin.
Os teóricos previram que a fusão produziria uma “quilonova”. Este é um fenômeno no qual o material que sobra de uma colisão de estrelas de nêutrons brilha intensamente e é ejetado da área de colisão para o espaço. Isso cria processos que criam elementos pesados, como chumbo e ouro. A observação do brilho residual da fusão de uma estrela de nêutrons fornece informações adicionais sobre os vários estágios da fusão, a interação do objeto resultante com seu ambiente e os processos que produzem os elementos mais pesados do Universo.
“Durante o processo de fusão, foi registrada a formação de elementos pesados. Portanto, podemos até falar de uma fábrica galáctica para a produção de elementos pesados, inclusive ouro, porque é esse metal que mais interessa aos terráqueos. Os cientistas estão começando a propor modelos que explicariam os parâmetros observados nesta fusão”, observou Vyatchanin.
A colaboração LIGO-Virgo, juntamente com astrônomos de 70 observatórios, anunciou hoje a observação da fusão de duas estrelas de nêutrons nas faixas gravitacional e eletromagnética: eles viram uma explosão de raios gama, bem como raios X, ultravioleta, visível, emissão infravermelha e de rádio.
Ilustração de uma colisão de estrela de nêutrons. Uma emissão diagonal estreita é um fluxo de raios gama. A nuvem brilhante ao redor das estrelas é a fonte de luz visível observada pelos telescópios após a fusão. Crédito: NSF/LIGO/Universidade Estadual de Sonoma/Aurore Simonnet
A observação combinada de uma explosão de raios gama, ondas gravitacionais e luz visível permitiu determinar não só a região do céu onde ocorreu o evento, mas também a galáxia NGC 4993 à qual pertenciam as estrelas.
Determinação da localização no céu usando diferentes detectores
Quando estrelas de nêutrons colidem, a maior parte de seu material se funde em um objeto supermassivo, emitindo uma “bola de fogo” de raios gama (aquela breve explosão de raios gama detectada dois segundos após as ondas gravitacionais). Depois disso, ocorre a chamada quilonova, quando a matéria remanescente após a colisão das estrelas de nêutrons é levada para longe do local da colisão, emitindo luz. A observação do espectro dessa radiação permitiu constatar que elementos pesados como o ouro nascem justamente a partir das quilonovas. Os cientistas observaram o brilho remanescente durante semanas após o evento, coletando dados sobre os processos que ocorrem nas estrelas, e esta foi a primeira observação confiável de uma quilonova.
Estrelas de nêutrons são objetos superdensos formados após a explosão de uma supernova. A pressão em uma estrela é tão alta que átomos individuais não podem existir, e dentro da estrela existe uma “sopa” líquida de nêutrons, prótons e outras partículas. Para descrever uma estrela de nêutrons, os cientistas usam uma equação de estado que relaciona a pressão e a densidade da matéria. Existem muitas equações de estado possíveis, mas os cientistas não sabem quais são as corretas, por isso as observações gravitacionais podem ajudar a resolver a questão. Neste ponto, o sinal observado não fornece uma resposta definitiva, mas ajuda a fornecer estimativas interessantes da forma da estrela (que depende da atração gravitacional da segunda estrela).
Uma descoberta interessante foi que a curta explosão de raios gama observada é a mais próxima da Terra, mas ao mesmo tempo é muito fraca para tal distância. Os cientistas sugeriram várias explicações possíveis: talvez o feixe de raios gama tivesse brilho irregular ou só tenhamos visto a sua extremidade. Em qualquer caso, surge a questão: anteriormente, os astrónomos não tinham assumido que tais explosões ténues pudessem estar localizadas tão perto, e poderiam então ter perdido as mesmas explosões ténues ou interpretá-las incorretamente como mais distantes? Observações combinadas nas faixas gravitacional e eletromagnética podem ajudar a fornecer uma resposta, mas neste nível de sensibilidade do detector tais observações serão bastante raras - em média 0,1-1,4 por ano.
Além da radiação gravitacional e eletromagnética, as estrelas de nêutrons emitem fluxos de neutrinos durante o processo de fusão. Os detectores de neutrinos também trabalharam para procurar esses fluxos do evento, mas não detectaram nada. No geral, este resultado era esperado - tal como acontece com uma explosão de raios gama, o evento é demasiado fraco (ou estamos a vê-lo num ângulo elevado) para que os detectores o vejam.
Para uma estimativa menor, você pode usar um grande atraso entre as emissões, e até mesmo assumir que o sinal luminoso foi emitido primeiro, o que reduzirá a precisão proporcionalmente. Mas mesmo neste caso, a estimativa é extremamente precisa.
Usando o mesmo conhecimento sobre o atraso entre os sinais, é possível aumentar significativamente a precisão das estimativas da invariância de Lorentz (a diferença entre o comportamento da gravidade e da luz sob a transformação de Lorentz) e do princípio de equivalência.
Os cientistas mediram a constante de Hubble de outra maneira - observando os parâmetros da radiação cósmica de fundo em micro-ondas no telescópio Planck, e obtiveram um valor diferente para a constante de Hubble, que não concorda com as medições SHoES. Esta diferença é demasiado grande para ser estatística, mas as razões para a discrepância nas estimativas ainda não são conhecidas. Portanto, é necessária uma medição independente.
Distribuição de probabilidade para a constante de Hubble usando ondas gravitacionais (azul). A linha pontilhada indica os intervalos 1σ e 2σ (68,3% e 95,4%). Para efeito de comparação, são mostrados os intervalos 1σ e 2σ para estimativas anteriores: Planck (verde) e SHoES (laranja), que não convergem entre si.
Nesse caso, as ondas gravitacionais desempenham o papel de velas padrão (e são chamadas de sirenes padrão). Ao observar a amplitude do sinal na Terra e simular sua amplitude na fonte, pode-se estimar o quanto ele diminuiu e, assim, saber a distância até a fonte - independentemente de quaisquer suposições sobre a constante de Hubble ou medições anteriores. A observação do sinal de luz permitiu determinar a galáxia onde o par de estrelas de nêutrons estava localizado, e a velocidade de remoção desta galáxia era bem conhecida por medições anteriores. A relação entre velocidade e distância é a constante de Hubble. É importante que tal estimativa seja completamente independente de estimativas anteriores ou da escala de distância cósmica.
Uma medição não foi suficiente para resolver o mistério das diferenças nas estimativas do Planck e do SHoES, mas no geral a estimativa já está de acordo com os valores conhecidos. Considerando que as estimativas anteriores se baseiam em estatísticas recolhidas ao longo de muitos anos, este é um resultado muito significativo.
Apenas um dos detectores do LIGO detectou o sinal em modo automático, pois ocorreu uma falha no detector de Livingston no momento do evento. Este termo refere-se a uma explosão de ruído semelhante ao estouro de estática em um receptor de rádio. Embora o sinal da onda gravitacional fosse claramente visível ao olho humano, a automação corta esses dados. Portanto, foi necessário eliminar a falha do sinal antes que os dados pudessem ser usados pelo detector. Falhas aparecem nos detectores o tempo todo - aproximadamente uma vez a cada poucas horas. Os cientistas os classificam por formato e duração e usam esse conhecimento para melhorar os detectores. Você pode ajudá-los a fazer isso com o projeto GravitySpy, onde os usuários procuram e classificam falhas nos dados do LIGO para ajudar os cientistas.
Detectamos ondas gravitacionais de dois objetos compactos, e a observação da radiação eletromagnética sugere que um deles era uma estrela de nêutrons. Mas o segundo também poderia ser um buraco negro de baixa massa e, embora ninguém tenha visto tais buracos negros antes, teoricamente eles podem existir. Não é possível determinar com certeza, a partir da observação de GW170817, se se tratou de uma colisão de duas estrelas de neutrões, embora seja mais provável.
O segundo ponto interessante: o que esse objeto se tornou após a fusão? Poderia tornar-se uma estrela de nêutrons supermassiva (a mais massiva conhecida) ou o buraco negro mais leve conhecido. Infelizmente, não há dados observacionais suficientes para responder a esta pergunta.
Esta descoberta mostra mais uma vez a importância do trabalho conjunto de muitas colaborações de milhares de pessoas na física moderna.
