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Em busca da luz das estrelas de nêutrons

A disputa por descobrir a origem do fenômeno envolveu 70 observatórios e foi vencida por um velho e pequeno telescópio

MARCOS PIVETTA | ED. 261 | NOVEMBRO 2017

 

Telescópio Swope, que tem um espelho de 1 metro de diâmetro e funciona desde 1971 no Chile, foi o primeiro a encontrar a galáxia em que o evento ocorreu

Ao longo dos últimos 10 anos, grupos de astrofísicos de todo o mundo ligados a observatórios baseados em terra e no espaço, como satélites e telescópios de diferentes tipos, assinaram acordos com a colaboração científica Ligo-Virgo, os três grandes detectores de ondas gravitacionais em funcionamento na Terra. Assim que fosse registrado um sinal com boas chances de serem ondas gravitacionais, a rede de parceiros seria informada, via uma circular, da massa e luminosidade estimadas dos objetos celestes que poderiam ser a fonte do evento e receberia um mapa do céu com a provável localização do fenômeno. Sua missão seria procurar no espaço uma emissão de radiação eletromagnética, alguma forma de luz, liberada pelo mesmo evento cósmico que originou as ondas gravitacionais.

Até meados de agosto deste ano, quatro registros de ondas gravitacionais haviam sido confirmados. Todos foram provenientes de fusões de pares de buracos negros, um tipo de fenômeno que não deve produzir qualquer forma de luz. Em nenhum deles, como se suspeitava, a rede de parceiros do Ligo-Virgo observou a geração de radiação eletromagnética. O evento do dia 17 de agosto foi diferente dos precedentes. Teve características únicas, que favoreceram a sua detecção, localização e observação detalhada. Pela primeira vez, os astrofísicos registraram assinaturas cósmicas provocadas pela colisão e fusão de um par de estrelas de nêutrons.

Segundo a teoria, esse fenômeno deveria produzir, e realmente produziu, dois tipos de emissão quase simultâneas: as tão procuradas ondas gravitacionais seguidas de uma explosão energética visível na faixa dos raios gama. “Era esperado que fossem registradas as ondas gravitacionais antes da explosão de raios gama”, explicou o físico Salvatore Vitale, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), um dos pesquisadores do Ligo, no material de divulgação da descoberta. “Primeiro, as estrelas de nêutrons são esmagadas juntas, depois o material é aquecido e então surge a radiação.” Após a explosão de raios gama, primeiro tipo de luz que escapa do fenômeno, outras formas de radiação eletromagnética também deveriam ser produzidas, como luz visível, ultravioleta e ondas de rádio. Mas para flagrar essas outras manifestações de radiação era preciso antes localizar a origem do fenômeno no espaço.

A pista inicial de que tinha havido uma colisão de estrelas de nêutrons em algum canto do Cosmo chegou à Terra às 12 horas, 41 minutos e 4 segundos de 17 de agosto, pelo fuso horário padrão internacional, que então se situava quatro horas à frente de Brasília. Os três detectores da cooperação Ligo-Virgo, dois localizados nos Estados Unidos e um na Europa, registraram um forte candidato a ser um sinal de ondas gravitacionais que aparentava ter sido originado pelo processo de fusão de duas estrelas de nêutrons. Situado nos arredores de Pisa, na Itália, o Virgo, que tinha acabado de passar por um processo de atualização e estava funcionando havia pouco mais de duas semanas, foi o primeiro a captar a anomalia, de forma muito fraca. Vinte e dois milissegundos depois, o detector do Ligo em Livingston, no estado da Luisiana, também registrou as ondas gravitacionais e, 3 milissegundos mais tarde, foi a vez do segundo detector-gêmeo do Ligo, em Hanford, no estado de Washington, flagrar a emissão. O observatório de Hanford, o último a registrar o fenômeno, foi o que obteve o sinal de forma mais intensa e soltou o primeiro aviso automático de que um evento candidato a produzir ondas gravitacionais tinha sido flagrado.

Mapa do céu mostrando a provável área em que ocorreu a colisão de estrelas, segundo os dados dos satélites de raios gama Integral (cinza escuro) e Fermi (vermelho) e dos detectores Ligo-Virgo (em laranja). A estrela dentro da área laranja representa a galáxia NGC 4993

Uma breve explosão de raios gama
Enquanto os detectores de ondas gravitacionais processavam o sinal vindo do espaço, dois satélites especializados em registrar explosões de raios gama captaram um pequeno evento desse tipo. O Fermi, um telescópio espacial da Nasa que mapeia todo o céu a cada três horas, registrou uma explosão de raios gama 1,7 segundo após os detectores do Ligo-Virgo terem flagrado as ondas gravitacionais. Um alerta automático da medição foi expedido. Todo ano o Fermi detecta cerca de 240 explosões de raios gama, das quais 40 são de curta duração (menos de 2 segundos), como a de 17 de agosto. Essa breve explosão foi a mais próxima da Terra registrada por esse instrumento de observação. Igualmente dedicado a acompanhar esse tipo de evento energético, o satélite Integral, projeto da Agência Espacial Europeia (Esa) com norte-americanos e russos, também confirmou a explosão vista pelo Fermi. A quase concomitância dos dois tipos de registros obtidos, o das ondas gravitacionais e o da explosão de raios gama, deixava poucas dúvidas de que provavelmente ambos tinham sido originados pelo mesmo evento.

Às 13h21, 40 minutos depois das detecções automáticas, uma circular postada em nome da colaboração Ligo-Virgo informou a comunidade de astrofísicos de que uma provável emissão de ondas gravitacionais tinha sido flagrada. O texto ainda fazia alusão à explosão de raios gama registrada pelo satélite Fermi. Esse era o aviso que os parceiros do Ligo-Virgo esperavam para iniciar a busca pelo lugar no Cosmo onde houve a fusão estelar. Ao longo das próximas horas, várias circulares atualizaram dados sobre o fenômeno.

Ajuda do ponto cego
Mas, inicialmente, apenas com os dados dos satélites Fermi e Integral, a área do céu em que o evento teria ocorrido era enorme, um obstáculo para determinar sua localização exata. Quando as medições do Ligo-Virgo foram refinadas, a provável área de origem do fenômeno foi restringida a 28 graus quadrados, equivalente a 140 luas cheias vistas da Terra. A distância em que a colisão estelar ocorrera também se tornou rapidamente conhecida, cerca de 130 milhões de anos-luz.

Apesar de ter registrado um sinal bastante fraco das ondas gravitacionais, o Virgo foi importante para estabelecer a porção do céu do hemisfério Sul em que o evento aconteceu. Com suas informações e as dos outros dois detectores, foi possível usar a técnica da triangulação para delimitar o local de origem do fenômeno. “A amplitude e o momento em que registramos o sinal foram usados para localizar sua fonte”, comenta o físico holandês Jo van den Brand, da Universidade Livre de Amsterdã, porta-voz do Virgo. As ondas gravitacionais foram captadas de forma tênue pelo detector europeu porque a fusão das estrelas de nêutrons ocorreu em um lugar que é um dos seus quatro pontos cegos. Essa também foi uma pista importante para se chegar à área final. “No momento, não sabemos dizer qual foi nossa contribuição mais importante, mas, sem o Virgo, teria sido mais difícil descobrir o local de origem das ondas”, destaca o holandês.

Com as melhores coordenadas possíveis para descobrir a fonte das ondas gravitacionais e da explosão de raios gama, os grupos de astrofísicos com acesso a telescópios no hemisfério Sul saíram à caça da origem do fenômeno. A corrida foi vencida pela equipe da colaboração One-Meter Two-Hemispheres (1M2H), coordenada pelo astrofísico Ryan Foley, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz. A equipe, da qual 17 pessoas participaram da descoberta, é especializada em estudar a luz proveniente de supernovas, explosões de estrelas com muita massa. Menos de 11 horas depois da detecção das ondas gravitacionais, Foley e sua equipe fizeram a imagem de um novo ponto luminoso na periferia da galáxia NGC 4993, situada na constelação de Hidra. “Tínhamos uma estratégia bem definida: olhar apenas para onde há galáxias, pois é nelas que ficam as estrelas”, conta Foley. “A sorte favorece os preparados e nós estávamos prontos.” Havia cerca de 50 galáxias na área a ser vasculhada.

O flagra foi obtido com o Swope, um pequeno e antigo telescópio óptico mantido pela Carnegie Institution, dos Estados Unidos, no Observatório Las Campanas, situado cerca de 600 quilômetros ao norte de Santiago, no Chile. Localizado no topo de uma montanha com quase 2.400 metros de altitude, o Swope foi inaugurado em 1971 e tem um espelho de 1 metro de diâmetro. O campo de visão de sua câmera, no entanto, é relativamente grande. Permite ver uma porção do céu equivalente a 0,25 grau quadrado, pouco mais do que uma lua cheia vista da Terra. “Não tinha como não ver [o ponto]. Era como se colocassem um dedo na frente do seu olho”, exagera Foley. Usando um telescópio bem mais potente, o Blanco, instalado em Cerro Tololo, no Chile, a equipe coordenada pela física brasileira Marcelle Soares-Santos, da Universidade Brandeis, demorou 10 minutos a mais do que o grupo 1M2H para encontrar o ponto luminoso na galáxia NGC 4993 (ver entrevista).

Telescópio T80 Sul, um projeto brasileiro instalado no Chile, também registrou o fenômeno

Entre os cerca de 70 instrumentos terrestres e espaciais que conseguiram observar por duas semanas a emissão de radiação eletromagnética decorrente da fusão das estrelas de nêutrons em diferentes comprimentos de onda, outro pequeno telescópio, igualmente instalado no Cerro Tololo, contou com a participação de brasileiros. Trata-se do T80 Sul, que tem um espelho de 0,8 metro, mas uma câmera com campo de visão oito vezes maior do que a do Swope. Isso o torna ideal para varrer vastas áreas do céu em pouco tempo. “Obtivemos os dados como parte de uma rede de pequenos telescópios, a colaboração Toros, que tenta localizar emissões eletromagnéticas associadas a eventos que produzem ondas gravitacionais ”, explica a astrofísica Claudia Mendes de Oliveira, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP), idealizadora do T80 Sul.

O telescópio localizou a emissão óptica produzida pela fusão das estrelas de nêutrons apenas na segunda noite, após a equipe receber as coordenadas do objeto por meio de várias circulares, cerca de 35 horas depois do primeiro aviso do Ligo-Virgo. “Tivemos má sorte. Na primeira noite, olhamos quase metade dessa área, mas começamos pelo lado oposto em que ficava a galáxia NGC 4993”, conta Claudia. Ainda assim, o T80 Sul realizou medições importantes e seus dados aparecem em dois artigos científicos publicados sobre as emissões eletromagnéticas produzidas pela colisão das estrelas de nêutrons.

O T80 Sul funciona de forma robotizada e seu controle pode ser feito remotamente, a partir de qualquer lugar do planeta. O equipamento começou a funcionar regularmente há seis meses, custou pouco mais de US$ 2 milhões e foi financiado pela FAPESP e pelo Observatório Nacional (ON). Sua função principal é fazer um levantamento de objetos celestes presentes no hemisfério Sul em 12 bandas espectrais distintas, mas pode ser empregado igualmente para outros fins ou alvos de ocasião, como ocorreu na procura pela luz proveniente da colisão das estrelas de nêutrons. No segundo semestre de 2018, quando os três detectores de ondas gravitacionais, que no momento não estão funcionando, voltarem a operar, o T80 Sul e os demais parceiros do Ligo-Virgo poderão ter uma nova chance de encontrar a radiação eletromagnética produzida por eventos explosivos ocorridos em algum canto do Universo.

Projeto
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 Mendes de Oliveira; Investimento R$ 5.075.402,98.

Artigo científico
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.


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