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Detectada pela primeira vez, colisão de estrelas de nêutrons inaugura nova era na astronomia

Observatórios em terra e no espaço registraram em 17 de agosto as ondas gravitacionais e a radiação eletromagnética emitidas durante fenômeno

IGOR ZOLNERKEVIC | Edição Online 13:43 17 de outubro de 2017

 

Revista Pesquisa FAPESP
Podcast: Claudia Mendes de Oliveira
Em uma galáxia distante 130 milhões de anos-luz da Terra, um par de estrelas de nêutrons rodopiou uma ao redor da outra, se aproximando com uma velocidade próxima à da luz, até se chocarem em uma violenta explosão. Quando as duas estrelas de nêutrons já estavam bem próximas, a cerca de 300 quilômetros uma da outra, começaram a emitir um pulso de ondas gravitacionais forte o suficiente para ser detectado pelos sensíveis instrumentos do Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais (Ligo), nos Estados Unidos, e do observatório interferométrico europeu Virgo, na Itália. Cerca de cem segundos depois, as estrelas colidiram e se fundiram. Os pesquisadores que registraram o evento ainda não sabem se a colisão gerou uma nova estrela de nêutrons ou um buraco negro. O certo é que a fusão das estrelas provocou a emissão de um imenso jato de raios gama e uma explosão violenta, chamada de quilonova, cuja luz e outras formas de ondas eletromagnéticas foram observadas pela primeira vez por telescópios em terra e no espaço.

Ontem (16/10), ao meio-dia, horário de Brasília, pesquisadores do Ligo e do Virgo anunciaram oficialmente a primeira detecção, realizada no dia 17 de agosto deste ano, de ondas gravitacionais geradas pela colisão de estrelas de nêutrons. Antes desse evento, esses observatórios haviam detectado quatro sinais de ondas gravitacionais geradas pela colisão de buracos negros. O anúncio de hoje confirma os rumores sobre essa descoberta que circulavam na internet desde agosto.

No dia 17 de agosto, ao identificarem um novo sinal de ondas gravitacionais após alerta do Monitor de Explosões de Raios Gama do telescópio Fermi (Fermi GBM), as colaborações Ligo e Virgo usaram seus dados em conjunto para determinar com precisão inédita a sua origem: uma região no céu do hemisfério Sul, de apenas 30 graus quadrados, na constelação de Hidra. Onze horas depois, o telescópio Swope, em Cerro Las Campanas, no Chile, foi o primeiro a identificar uma nova fonte de luz nessa região, na periferia da galáxia NGC 4993. Dez minutos depois da descoberta do Swope, uma equipe liderada pela física brasileira Marcelle Soares Santos, usou a câmera do projeto Dark Energy Survey, montada no telescópio Blanco, em Cerro Tololo, no Chile, para vasculhar rapidamente todos os objetos da região no céu sugerida pelo Ligo e o Virgo, confirmando independentemente a descoberta. “Nossa busca global demonstrou que nenhuma outra fonte de luz naquela região do céu, entre as 1.500 candidatas, podia ser associada à emissão das ondas gravitacionais”, diz Marcelle. O artigo descrevendo esses resultados foi publicado na revista Astrophysical Journal Letters.

A partir daí a notícia se espalhou e os telescópios com tempo livre e capazes de mudar rapidamente de direção passaram a acompanhar o fenômeno. Nos dias seguintes, cerca de 70 observatórios em terra e no espaço mobilizaram diferentes tipos de instrumentos para acompanhar o fenômeno e registraram uma rápida diminuição do brilho e mudança de cor na luz emitida – tanto na faixa do visível como na das outras formas de radiação que compõem o espectro eletromagnético (rádio, infravermelho, ultravioleta, raios X e raios gama). A observação completa desse evento cósmico jamais registrado antes exigiu uma colaboração internacional que envolveu mais de 3 mil pesquisadores de 950 instituições em todo o mundo – 60 deles em centros de pesquisa brasileiros. Os resultados começam a ser detalhados em mais de 20 artigos científicos publicados hoje nas revistas Astrophysical Journal Letters, Nature, Nature Astronomy, Physical Review Letters e Science.

Vários desses estudos sugerem que a colisão de estrelas de nêutrons deve ser responsável por formar cerca de metade dos elementos químicos mais pesados do que o ferro. Se essa suposição estiver correta, significa que alguns metais encontrados na Terra, como o ouro e a platina, poderiam ter se formado em colisões desse tipo ocorridas bilhões de anos atrás. “Essas colisões são provavelmente os únicos eventos em que há criação de alguns dos elementos químicos mais pesados do Universo”, diz a astrônoma Claudia Mendes de Oliveira, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP).

Claudia coordena a equipe do telescópio T80 Sul, que acompanhou a diminuição do brilho e as mudanças na cor da explosão na galáxia NGC 4993. Funcionando há seis meses no Cerro Tololo, no Chile, com financiamento do Observatório Nacional (ON) e da FAPESP, o T80 é um telescópio robótico com grande campo de visão, capaz de varrer vastas áreas do céu em pouco tempo. Essas características o tornam perfeito para a busca e o acompanhamento de fontes de luz temporárias, como a produzida na colisão das estrelas de nêutrons. Publicados hoje em um artigo no Astrophysical Journal Letters, os resultados da equipe do telescópio T80-Sul, coordenada por Claudia, e dos demais telescópios, indicam que a luz produzida pela contrapartida eletromagnética do processo de fusão das estrelas de nêutrons e posterior a esse processo traz assinaturas de uma gama de fenômenos físicos e químicos previstos há mais de 50 anos. Eles também confirmam que elementos químicos pesados, como ouro e plutônio, podem ter sido formados em eventos dessa natureza.

“A detecção das ondas gravitacionais de estrelas de nêutrons inaugura a tão esperada astronomia multimensageira”, disse David Reitze, diretor-executivo do Ligo. “É a primeira vez que observamos tanto as ondas gravitacionais quanto as ondas eletromagnéticas – os nossos dois mensageiros cósmicos – vindas de um evento astrofísico cataclísmico. A astronomia de ondas gravitacionais oferece novas oportunidades para entender propriedades das estrelas de nêutrons de maneiras que não podem ser obtidas apenas pela astronomia de ondas eletromagnéticas.”

Um sinal diferente
Ondas gravitacionais são oscilações microscópicas do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz e esticam e comprimem os objetos que encontram pelo caminho. O Ligo consiste de dois detectores, um instalado na cidade de Hanford (estado de Washington) e outro na de Livingston (Louisiana), ambas nos Estados Unidos, enquanto o Virgo possui apenas um, que funciona em Cacina, perto de Pisa, Itália. Cada detector é formado por dois túneis de uns poucos quilômetros de comprimento, dispostos em um ângulo de 90 graus no formato da letra L. Usando lasers e espelhos de alta precisão, seus instrumentos registram oscilações de tamanho subatômico no comprimento dos túneis, criadas pela passagem de ondas gravitacionais pela Terra.

Dos mais de 1.200 pesquisadores que participam da colaboração científica internacional do Ligo, alguns atuam em instituições brasileiras. O físico teórico italiano Riccardo Sturani, do Instituto Internacional de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (IIP-UFRN), realiza simulações em computador dos sinais que o Ligo pode registrar das ondas gravitacionais emitidas pela colisão de buracos negros e estrelas de nêutrons. Já o grupo brasileiro liderado pelos físicos Odylio Aguiar e César Costa, ambos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), colabora na melhoria da precisão dos instrumentos dos detectores, ultrassensíveis a qualquer vibração. “Cada vez que é detectado um potencial sinal de ondas gravitacionais, parte da equipe é acionada para verificar se ele é verdadeiro ou se foi causado por algum ruído”, conta Aguiar.

Elvis Ferreira, estudante de doutorado de Aguiar, está desde o fim de junho trabalhando no detector do Ligo em Livingston e conta que tomava café da manhã quando um e-mail alertando sobre a detecção de um forte candidato a onda gravitacional foi enviado aos pesquisadores da colaboração. Em agosto, ele ajudou a equipe responsável por separar o sinal emitido pelas ondas gravitacionais daquele causado por um defeito no detector. Já fazia algum tempo que Ferreira e outros membros do grupo de caracterização dos detectores vinham analisando um tipo de ruído estranho na aparelhagem, chamado de glitch, que ocorria de seis a sete vezes por dia e era de origem desconhecida. “Um desses glitches ocorreu dia 17 de agosto, durante a passagem do sinal das ondas gravitacionais, poluindo parte do sinal mais rico que conseguimos”, lembra. “Toda a equipe fez um grande esforço para caracterizar o ruído e separá-lo do sinal.”

De acordo com Aguiar, o sinal captado no dia 17 de agosto foi bem diferente dos quatro anteriores. Ele era composto por ondulações cem vezes menores, mas que persistiam por muito mais tempo. Originados da colisão de buracos negros, os quatro sinais registrados em 2015 e 2017 duraram no máximo dois segundos, enquanto o sinal mais recente persistiu por um minuto. “Essa colisão claramente envolve corpos de massas menores do que a de buracos negros e na faixa de massas das estrelas de nêutrons”, explica Aguiar. Os pesquisadores estimam que as estrelas que colidiram tinham massa de 1,2 a 1,6 vezes superior à massa do Sol. As ondas gravitacionais emitidas no final da colisão registrada em agosto eram tão fracas que os detectores do Ligo e do Virgo não as registraram. “Não dá para saber se o objeto formado após a colisão foi uma estrela de nêutrons com massa mais elevada ou um buraco negro”, conta o pesquisador do Inpe.

Pulsos de raios gama
Estrelas de nêutrons são as menores estrelas do Universo, com menos de 20 quilômetros de diâmetro, formadas após a implosão do núcleo de estrelas gigantes. O condensado de nêutrons de que são feitas é um material tão denso que o volume que cabe em uma colher de chá pesaria bilhões de toneladas. No início da década de 1990, astrofísicos propuseram que a colisão de pares de estrelas de nêutrons, formando uma estrela de nêutrons com massa maior ou um buraco negro, poderia produzir um jato de raios gama, um tipo de onda eletromagnética de alta energia. A proposta era uma tentativa de explicar misteriosos pulsos curtos de raios gama, com duração da ordem de uma fração de segundo. Conhecidos pelo nome de gamma ray bursts curtos ou GRBs curtos, eles são observados por telescópios de raios gama a bordo de satélites desde a década de 1960.

Dois segundos após a detecção das ondas gravitacionais pelo Ligo e o Virgo, o telescópio espacial Fermi, da Nasa, detectou um pulso de raios gama curto vindo da mesma região do céu. Esse pulso foi confirmado pelo telescópio espacial Integral, da Agência Espacial Europeia (ESA). “É lindo ver que as duas regiões no céu determinadas independentemente, uma pelo Ligo-Virgo e a outra pelo Fermi, cruzam e seus centros coincidem”, comenta Rodrigo Nemmen, astrofísico do IAG-USP, especialista em GRBs. A probabilidade de essa coincidência acontecer por acaso, segundo ele, é uma vez a cada 80 mil anos.

Segundo o astrofísico do IAG, é a primeira vez que se consegue um quadro quase completo de todos os processos envolvidos em uma colisão de estrelas de nêutrons. “É como se tivéssemos encontrado uma Pedra de Roseta para a astronomia”, conta Nemmen referindo-se ao famoso bloco de granito negro determinante para se traduzir os hieróglifos egípcios. “Duas diferentes linguagens combinadas, emissões de ondas gravitacionais e de ondas eletromagnéticas, nos deram uma visão global e ajudaram a decifrar a origem dos GRBs curtos.”

Mistérios para o futuro
O GRB curto associado às ondas gravitacionais emitidas pelas estrelas de nêutrons resolve um enigma antigo, mas cria outros. Um novo mistério é saber para onde teria ido parte de sua energia, uma vez que o pulso detectado é menos intenso do que se esperava.

Uma possível explicação é que a fusão das estrelas de nêutrons não tenha disparado um jato de raios gama na direção da Terra, mas em uma direção inclinada em relação ao planeta. Se uma parte dos raios gama do jato tivesse atingido a Terra, os pesquisadores esperariam observar uma pequena quantidade de neutrinos, uma partícula elementar gerada em explosões estelares, explica a física Carola Dobrigkeit Chinellato, do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), pesquisadora que lidera a participação brasileira no observatório de raios cósmicos Pierre Auger, localizado na região de Mendoza, na Argentina. “Além de ondas gravitacionais e eletromagnéticas, a fusão das estrelas de nêutrons deve produzir neutrinos”, diz Carola. “Analisamos os dados registrados pelo Auger no período entre 500 segundos antes e 500 segundos após o sinal registrado pelo Ligo/Virgo, além daqueles dos 14 dias posteriores, e não encontramos evidências de emissão de neutrinos vindos da região do céu onde está a fonte das ondas gravitacionais. Os experimentos Antares e IceCube também procuraram por neutrinos em seus dados e não encontraram nada.”

Como há outras explicações, mais complexas, para a baixa intensidade de raios gama e a ausência de neutrinos, a questão continua em aberto. Dados de mais observações multimensageiras de fusão de estrelas de nêutrons devem ajudar a resolver essa e outras questões. Segundo Aguiar, o Ligo, que completou o seu segundo período de tomada de dados no dia 25 de agosto, deve iniciar a sua terceira corrida em outubro do ano que vem, com sensibilidade aumentada, e funcionar continuamente até outubro de 2019. A previsão dos pesquisadores é que o Ligo alcance em meados dos anos 2020 uma sensibilidade tal que consiga detectar de dois a três eventos por semana. Como GRBs curtos são detectados todos os dias por telescópios espaciais, observações multimensageiras de estrelas de nêutrons devem se tornar rotina daqui a alguns anos.

“Estamos todos animados porque é um novo campo de pesquisa para várias áreas da astronomia, até para a cosmologia”, diz Claudia Mendes de Oliveira, do IAG. Em um artigo publicado hoje na Nature, a colaboração científica do Ligo e do Virgo comparou a distância da galáxia NGC 4993 obtida pela análise das ondas gravitacionais com a velocidade com que a galáxia se afasta de nós, calculando assim a atual taxa de expansão local do Universo, a chamada constante de Hubble. O valor encontrado coincide com medidas da constante de Hubble obtidas por outros métodos. “Quando observarmos mais eventos próximos desse tipo, poderemos medir o valor da constante de Hubble para o Universo local com uma precisão nunca antes alcançada”, afirma Claudia.

Projetos
1. Estudo dos raios cósmicos de mais altas energias com o Observatório Pierre Auger (nº 10/07359-6); Modalidade Projeto Temático; Pesquisadora responsável Carola Dobrigkeit Chinellato; Investimento R$ 5.122.504,57
2. Observatório Pierre Auger (nº 99/05404-3); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Carlos Ourivio Escobar; Investimento R$ 7.168.083,30
3. EMU: aquisição de um telescópio robótico para a comunidade astronômica brasileira (nº 09/54202-8); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Programa Equipamentos Multiusuários; Pesquisadora responsável Claudia Lucia Mendes de Oliveira; Investimento R$ 5.075.402,98

Artigos científicos
ABBOTT, B. P.  et al. Multi-messenger observations of a binary neutron star merger. The Astrophysical Journal Letters. v. 848, n. 2. 16 out. 2017.
ABBOTT, B. P. et al. Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral. Physical Review Letters. v. 119, 161101. 16 out. 2017.
DÍAZ, M. C. et al. Observations of the first electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source by the TOROS Collaboration. Astrophysical Journal Letters. v. 848, n. 2. 16 out. 2017.
SOARES-SANTOS, M. et al. The electromagnetic counterpart of the binary neutron star merger LIGO/Virgo GW170817. I. Discovery of the optical counterpart using the Dark Energy Camera. Astrophysical Journal Letters. v. 848, n. 2. 16 out. 2017.
The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration et al. A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant. Nature. On-line 16 out. 2017.


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