O Observatório de Ondas Gravitacionais LIGO registrou, pela primeira vez na história, ondulações no espaço-tempo oriundas de estrela de nêutrons em colisão. O mesmo evento foi capturado em luz visível em infravermelha em telescópios em solo. E mais: um novo tipo de explosão estelar também foi confirmado a partir deste evento astrofísico.
Assim, os rumores estavam certos, afinal. Em 17 de agosto, Observatório Avançado de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO) registrou pequenas ondulações no espaço-tempo, produzidas por um par estrelas de nêutrons orbitando freneticamente antes que elas colidissem. E tem mais: telescópios no solo e no espaço detectaram o brilho da bola de fogo radioativa que resultou do esmagamento cósmico, em todo o espectro eletromagnético.
“A detecção de ondas gravitacionais de um binário estrelas de nêutrons em fusão é algo que estávamos nos preparando há décadas“, conta o astrofísico Alan Weinstein (Caltech). “Todos os nossos sonhos se tornaram realidade.” De acordo com o seu colega Barry Barish (Caltech), um dos fundadores do LIGO e co-ganhador do Prêmio Nobel 2017 em Física, a nova descoberta “estabelece a ciência de ondas gravitacionais como um novo campo emergente.” Vicky Kalogera (Northwestern University) acrescenta: “Eu não podia acreditar nos meus olhos. É muito mais emocionante do que a primeira detecção de ondas gravitacionais da colisão de buracos negros, em setembro de 2015.”
A excitação é plenamente justificada. A observação de ambas as ondas gravitacionais e radiação eletromagnética da coalescência catastrófica de duas estrelas de nêutrons hiper-densas fornece aos astrônomos com uma riqueza de informação nova, detalhada. A nova palavra de ordem é a astronomia multi-mensageira, o estudo do universo usando fundamentalmente diferentes tipos de saída.
Rumores sobre o evento de estrela de nêutrons têm circulado desde 18 de agosto, quando Craig Wheeler (Universidade do Texas em Austin) twittou: ‘New LIGO. Fonte com contrapartida óptica” Então, em 27 de setembro, a colaboração LIGO-Virgo anunciou a detecção de GW170814 – o sinal de uma onda gravitacional oriunda de uma fusão de buracos negros – levando alguns a supor que os rumores anteriores eram falsos.
No entanto, a colisão de buracos negros não emite radiação eletromagnética ou qualquer contrapartida óptica. Em um discurso em 03 de outubro, após sua co-recepção, o laureado ao Nobel, Ranier Weiss (MIT) confirmou que outro anúncio estava vindo, mas não disse do que se tratava. Hoje, em uma grande conferência de imprensa em Washington, DC, astrônomos e físicos finalmente revelaram seu segredo.
Colisão estrelas de nêutrons
Eis o que aconteceu. Na quinta-feira, 17 de agosto, às 12:41:04 UT, O LIGO teve seu quinto sinal de onda gravitacional confirmada, agora designada GW170817. Mas este sinal durou muito mais do que os quatro primeiros: em vez de uma fração de segundo, como as detecções anteriores, as ondulações no espaço-tempo duraram colossais noventa segundos, e aumentando sua frequência de algumas dezenas de hertz a cerca de um kilohertz – o máximo de frequência que LIGO pode observar.
Este é o sinal de onda gravitacional esperado de estrelas de nêutrons com órbita próxima, ambas com menos de duas vezes a massa do Sol. Eventualmente, elas giravam em torno de si centenas de vezes por segundo (mais rápido do que o seu liquidificador de cozinha), em uma fração justa da velocidade da luz. As ondas emitidas pelas massas em aceleração mantiveram a drenagem do sistema de energia orbital, e em pouco tempo, as duas estrelas de nêutrons colidiram. A colisão ocorreu a uma distância de cerca de 150 milhões de anos-luz da Terra.
A explosão de raios gama (Gamma Ray Bursts)
Apenas dois segundos após o evento de ondas gravitacionais, em 12:41:06 UT, O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA detectou uma curta explosão de raios gama (GRB) – um breve e poderoso “Flash”, de radiação eletromagnética mais enérgico na natureza. A explosão foi confirmada pelo observatório de raios gama Integral da Agência Espacial Europeia.
Explosões de raios gama curtas são produzidas pela colisão de estrelas de nêutrons. A explosão lançou dois jatos estreitos e energéticos de partículas e radiação no espaço (provavelmente perpendicular ao plano orbital as estrelas de nêutrons). Se um dos jatos fossem dirigidos à Terra, veríamos uma explosão de raios gama durando entre uma fração de um segundo ou dois segundos mais ou menos. A pergunta natural foi, poderia GRB170817A possivelmente estar relacionado com o evento LIGO que foi observado um pouco antes?
Astrônomos tinha suas dúvidas. Explosões de raios gama ocorrem geralmente em distâncias de bilhões de anos-luz. GRB170817A parecia tão brilhante para o Fermi quanto outras GRBs, por isso, se esta explosão tivesse ocorrido em um mero 150 milhões de anos-luz de distância, ela deve ter sido demasiado fraca. Além disso, seria uma coincidência estranha que a explosão de raios gama mais próxima já vista, não tivesse sido apontada em direção à Terra.
Contrapartida eletromagnética e um novo tipo de explosão estelar.
A rede de observatórios LIGO-Virgo posicionaram a fonte das ondas gravitaconais dentro de uma grande região do céu do Sul, do tamanho de várias centenas de luas cheias e que contêm milhões de estrelas. Quando a noite caiu no Chile muitos telescópios observaram para este pedaço de céu, em busca de novas fontes. Estes incluíram do ESO Telescope Visível e Infravermelho Pesquisa de Astronomia (VISTA) e VLT Pesquisa Telescope (VST) no Observatório Paranal, o telescópio italiano Rapid Eye Mount (REM) do La Silla Observatory, ESO, o LCO telescópe de 0,4 metros no Observatório Las Cumbres e o Observatório Interamericano DECAM em Cerro Tololo. O Swope telescópio de 1 metro foi o primeira a anunciar um novo ponto de luz. Parecia muito perto de NGC 4993, uma galáxia lenticular na constelação de Hydra, e observações do telescópio VISTA, do ESO, identificaram esta fonte em comprimentos de onda infravermelhos quase ao mesmo tempo. Quando a noite manchava a oeste em todo o globo, os telescópios da ilha havaiana Pan-Starrs e Subaru também capturaram o evento rapidamente.
“Há raras ocasiões em que um cientista tem a chance de testemunhar uma nova era no seu início,” disse Elena Pian, astrônomo do INAF, Itália, e principal autora de um dos artigos da Nature. “Este é um tal momento! ”
Em uma de suas maiores chances, o ESO observou o objeto ao longo das semanas após a detecção do LIGO-Virgo. O Very normal Telescope (VLT), New Technology Telescope (NTT), VST, o telescópio MPG/ESO de 2.2 metros, e o normal Millimeter matriz Atacama / submillimeter (ALMA) todos observaram o evento e seus efeitos posteriores sobre uma ampla gama de comprimentos de onda. Cerca de 70 observatórios de todo o mundo também observaram o evento, incluindo o Telescópio Espacial Hubble da NASA / ESA .
Estimativas de distância de ambos os dados de ondas gravitacionais e outras observações concordam que GW170817 estava à mesma distância como NGC 4993, cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra. Isso faz com que a fonte seja o evento mais próximo de ondas gravitacionais detectado até agora e também um das mais próximos fontes de explosão de raios gama já vista.
As ondulações no espaço-tempo conhecidos como ondas gravitacionais são criados por massas em movimento, mas apenas as mais intensas, criada pelas mudanças rápidas na velocidade de objetos maciços, podem atualmente ser detectadas. Um desses eventos é a fusão de estrelas de nêutrons, um tipo de estrelas colapsadas deixam para trás um núcleo denso de nêutrons após a explosão de supernova. Estas fusões foram de longe a principal hipótese para explicar curtas explosões de raios gama. Um evento explosivo 1000 vezes mais brilhante do que uma típica nova – conhecido como um kilonova – espera-se que acompanhe este tipo de evento.
As detecções quase simultâneas de ambas as ondas gravitacionais e raios gama da GW170817 aumentaram as esperanças de que esse objeto seja de fato uma kilonova tão procurada pelo ESO. Kilonovas foram sugeridas mais de 30 anos atrás, mas esta é a primeira observação confirmada.
Após a fusão das duas estrelas de nêutrons, uma explosão de rápida expansão de elementos químicos pesados radioativos deixou o kilonova, movendo-se tão rápido quanto um quinto da velocidade da luz. A cor da kilonova passou de muito azul para muito vermelho ao longo dos próximos dias, uma mudança mais rápida do que a observado em qualquer outra explosão estelar observada.
“Quando o espectro apareceu em nossas telas percebi que este foi o evento transiente mais incomum que eu já vi,” comentou Stephen Smartt, que liderou observações com NTT do ESO. “Eu nunca tinha visto nada parecido. Nossos dados, juntamente com os dados de outros grupos, provaram a todos que esta não era uma supernova ou uma estrela variável de primeiro plano, mas era algo bastante notável”.
Espectros do ePESSTO e do instrumento X-shooter do VLT sugerem a presença de césio e telúrio ejetados das estrelas de nêutrons em fusão. Estes e outros elementos pesados, produzidos durante a fusão de estrelas de neutrões, iriam ser soprados para dentro do espaço pela kilonova subsequente. Estas observações confirmam a formação de elementos mais pesados do que o ferro através de reações nucleares dentro objetos estelares de alta densidade, conhecido como nucleossíntese de processo-r, algo que só era anteriormente teorizado.
“Os dados que temos até agora é um jogo incrivelmente próxima da teoria. É um triunfo para os teóricos, uma confirmação de que os eventos LIGO-Virgo são absolutamente reais, e uma conquista para o ESO ter reunido um conjunto de dados surpreendentes definidos na kilonova, ”acrescenta Stefano Covino, principal autor de um dos artigos da Nature.
“A grande força do ESO é que ele tem uma ampla gama de telescópios e instrumentos para lidar com projetos astronômicos grandes e complexos, e a curto prazo. Entramos em uma nova era da astronomia multi-messengeira!”, conclui Andrew Levan, principal autor de um dos artigos.
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