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Marcelle Soares-Santos: Caçadora de colisões

Física brasileira coordena grupo que procura emissões luminosas associadas à produção de ondas gravitacionais

RICARDO ZORZETTO | ED. 261 | NOVEMBRO 2017

 

Marcelle e a câmera que ajudou a construir, usada no projeto Dark Energy Survey

Na manhã de 16 de outubro, a física Marcelle Soares-Santos era a única brasileira entre os 16 líderes de grupos de pesquisa que anunciaram em uma entrevista na sede da National Science Foundation, nos Estados Unidos, a observação de um fenômeno que pode transformar o que se conhece sobre o Universo.

Aos 36 anos, Marcelle é professora na Universidade Brandeis e pesquisadora no Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, um dos mais importantes laboratórios de física de partículas do mundo, ambos nos Estados Unidos. Nascida em Vitória, Marcelle graduou-se em física na Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) e fez mestrado e doutorado em astronomia na Universidade de São Paulo (USP). Chegou ao Fermilab em 2010 para um estágio de pós-doutorado e auxiliou na construção de um dos maiores detectores de luz já construídos: uma câmera de 570 megapixels que está instalada em um telescópio no Chile para mapear 300 milhões de galáxias no projeto Dark Energy Survey (DES). Hoje, ela coordena no DES uma equipe que busca a luz emitida por eventos que geram ondas gravitacionais.

A seguir, ela fala sobre o fenômeno detectado e o potencial uso das ondas gravitacionais para calcular a taxa de expansão do Universo.

Qual foi seu papel nas observações ligadas à colisão de estrelas de nêutrons?
Começou com minha participação no DES, que tem como objetivo observar 300 milhões de galáxias e estimar a contribuição da energia escura para a arquitetura do Universo. Entrei na fase de construção da câmera usada nas observações e ganhei a confiança dos meus colegas pelo trabalho, que era testar cada componente da câmera. Em setembro de 2012, quando a construção da câmera terminou, o DES começou a acumular a amostra de milhões de galáxias. Usei minha experiência em análise de dados e o conhecimento da câmera para fazer estudos sobre aglomerados de galáxias e rapidamente alcancei uma posição de liderança. Em julho de 2013, quando a colaboração que opera o Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais, o Ligo, fez uma chamada para astrônomos, vi a oportunidade de nosso grupo do DES ter uma atuação importante.

Onde estava quando os observatórios Ligo e Virgo informaram ter detectado a colisão das estrelas de nêutrons?
No apartamento onde morava em Chicago. O evento foi detectado em 17 de agosto, no dia em que o caminhão de mudanças chegou para levar minhas coisas para Waltham, no estado de Massachusetts, onde fica a Universidade Brandeis, para onde eu estava me transferindo. Eu tinha acabado de me deitar quando o telefone tocou por volta de 7h40 da manhã com o alerta automático do Ligo. Tinha passado a noite trabalhando, porque havia ocorrido uma colisão de buracos negros em 14 de agosto. Pensei que algo tivesse dado errado nas análises desse evento. Não imaginava que fosse um novo. Pulei da cama para o computador e, com meus colegas, iniciamos o planejamento para as observações no Chile após o pôr do sol. Havia um grupo no telescópio e outro no Fermilab. Nas horas seguintes meu apartamento ficou vazio. As últimas coisas que restaram foi meu laptop, uma cadeira e o roteador da internet.

Fazia tempo que esperava observar a colisão de estrelas de nêutrons?
Desde que o Ligo entrou em sua segunda fase de operação em 2015, a expectativa era de que os primeiros eventos fossem colisões de estrelas de nêutrons, e não de buracos negros. Na natureza se espera que os sistemas de massas menores, como os de estrelas de nêutrons, existam em maior quantidade. Seria, portanto, mais fácil observá-los. Foi uma surpresa verificar que buracos negros com massa de 10 a 30 vezes superior à do Sol são tão comuns [Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), e Kip Thorne e Barry Barish, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), receberam o Nobel de Física de 2017 pela detecção de ondas gravitacionais emitidas pela fusão de buracos negros].

Quais foram os passos seguintes ao alerta do dia 17?
Por conta das buscas que fizemos após a detecção das colisões de buracos negros, já tínhamos exercitado o procedimento três ou quatro vezes. Primeiro, fizemos um mapa do céu e identificamos a região em que o evento provavelmente ocorreu. Com base na posição do telescópio no Chile e no número de horas que conseguimos observar por noite, calculamos a área a ser coberta e como varrer o máximo dela. Nesse evento, a distância era pequena e fizemos uma lista de galáxias. Toda vez que uma delas aparecia no campo observado, um grupo olhava as imagens antes de serem processadas por computador em busca de sinais de emissão luminosa. Fomos um dos primeiros grupos a detectar a luz da fonte de ondas gravitacionais. Logo depois de observar a fonte, enviamos um e-mail comunicando o achado aos parceiros do Ligo e verificamos que outro grupo havia identificado a mesma fonte 10 minutos antes.

Foi na primeira bateria de observação?
Na primeira noite. As observações duraram cerca de uma hora. Depois de achar o candidato mais plausível, mudamos a estratégia para a noite seguinte. Focamos as observações nesse objeto para obter o máximo de informação sobre ele e monitorar sua evolução. Também fizemos uma segunda varredura na região em busca de outras possíveis fontes. A área indicada pelo Ligo e pelo Virgo tinha 30 graus quadrados [área ocupada no céu por 150 luas cheias]. Observamos 70 graus quadrados porque a experiência com os eventos anteriores mostrou que, após o mapeamento inicial, o Ligo faz uma análise mais refinada, o que pode mudar a posição do objeto no céu.

Havia muitos objetos na área indicada?
Os dados sugeriam que a colisão teria ocorrido a 40 megaparsecs ou 130 milhões de anos-luz. No volume formado por 30 graus quadrados e 40 megaparsecs, existem umas 50 galáxias. Em uma análise ignorando a distância, encontramos 1.500 possíveis fontes. Só uma passou pelos três critérios estabelecidos para excluir falsos candidatos.

Por que é importante associar a emissão de luz à da onda gravitacional?
No caso de agosto, as ondas gravitacionais permitiram saber que eram duas estrelas de nêutrons, e não dois buracos negros, e que estavam a 40 megaparsecs. Mas não dá para saber se o resultado da colisão foi um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Nem se a colisão gerou elementos químicos pesados, se houve perturbação do ambiente ao redor ou se esse ambiente era diferente do encontrado com frequência nas galáxias. Só é possível conhecer isso com a combinação das ondas gravitacionais com a contrapartida óptica.

Você estudou ondas gravitacionais no mestrado e estrelas de nêutrons no doutorado. Era uma preparação para observar um evento como esse?
Eu planejava trabalhar em cosmologia. Na iniciação científica e no mestrado, fiz cálculos de como seria o espectro de ondas gravitacionais primordiais, que existiriam desde o início do Universo, e não dessas geradas em colisões. Um detector futuro como o Lisa, liderado pela ESA [Agência Espacial Europeia], para registrar ondas gravitacionais a partir do espaço, talvez tenha sensibilidade para observá-las. Era tudo muito teórico e sentia falta de algo observacional. No doutorado, fui trabalhar com aglomerados de galáxias, as maiores estruturas do Universo. A taxa de formação desses aglomerados depende da cosmologia. Se existir muita energia escura, a taxa de formação é menor. Desenvolvi algoritmos para encontrar os aglomerados nos dados do Sloan Digital Sky Survey, que varreu um terço do céu e observou 500 milhões de objetos. No pós-doutorado, continuei estudando os aglomerados. Voltei a me interessar pelas ondas gravitacionais quando o Ligo anunciou que iria iniciar uma nova rodada de observações.

O que as ondas gravitacionais podem revelar sobre a energia escura?
Eventos como as colisões de estrelas de nêutrons podem ser usados em cosmologia de forma análoga às supernovas. Supernovas são explosões de estrelas com massa elevada. Elas são chamadas de velas-padrão porque emitem uma luminosidade conhecida, o que permite estimar a que distância estão de nós. Já as colisões de estrelas de nêutrons são conhecidas como sirenes-padrão, porque sua detecção é semelhante à de ondas sonoras [embora ondas gravitacionais sejam diferentes de ondas de som]. A intensidade das ondas gravitacionais detectadas na Terra depende da massa das estrelas, que pode ser calculada a partir do formato da onda detectada. Após identificar vários eventos como o de agosto, será possível medir distâncias em escala cosmológica. O evento de agosto permitiu calcular a taxa de expansão do Universo, a chamada constante de Hubble, com uma incerteza de 15%. É alta, mas, com mais eventos, deve diminuir. Isso é importante porque há uma dúvida: as supernovas são mesmo velas-padrão ou poderia haver variações entre elas que afetariam as medições? Medidas usando a radiação cósmica de fundo [radiação em micro-ondas emitida quando o Universo tinha 380 mil anos] dão valores discrepantes dos obtidos com as supernovas. As ondas gravitacionais podem ser uma alternativa para essas medições.

Quais seus planos futuros?
Usar as ondas gravitacionais para saber quanto há de energia escura no Cosmo. Queremos melhorar a detecção da luz de mais eventos, pois o número deve aumentar na próxima rodada de observações do Ligo-Virgo. E pretendo desenvolver uma estratégia de uso da próxima geração de câmeras e telescópios para o mapeamento de galáxias.


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