A 'Rosetta Stone' da astronomia: fundindo estrelas de nêutrons vistas com ondas gravitacionais e luz
Renderização em 3D das ondas gravitacionais emitidas por um sistema binário de estrelas de nêutrons na fusão. A região central (em densidade) é esticada por um fator de ~5 para melhor visibilidade. Crédito da imagem: AEI Potsdam-Golm.
Pela primeira vez, vimos estrelas de nêutrons se fundirem. Finalmente, o céu gravitacional e eletromagnético são um.
Está ficando claro que, em certo sentido, o cosmos fornece o único laboratório onde condições suficientemente extremas são alcançadas para testar novas ideias sobre física de partículas. As energias no Big Bang foram muito mais altas do que podemos alcançar na Terra. Então, olhando para as evidências do Big Bang e estudando coisas como estrelas de nêutrons, estamos de fato aprendendo algo sobre física fundamental. – Martin Rees
Em 17 de agosto deste ano, com os detectores LIGO e o detector VIRGO da Itália todos operacionais, o inevitável aconteceu: a chegada dos momentos finais de um sinal de uma galáxia distante, quando duas estrelas de nêutrons se fundiram. Embora a fusão tenha acontecido em um passado distante, as ondas gravitacionais se movem apenas na velocidade da luz, e 17 de agosto foi a data em que os momentos finais da inspiração e fusão ocorreram da nossa perspectiva aqui na Terra. Com três detectores operando ao mesmo tempo, conseguimos identificar a localização no céu onde ocorreu. Em todo o mundo, cerca de 70 observatórios treinaram seus olhos no local, vendo os sinais reveladores de duas estrelas de nêutrons se fundindo, poucas horas depois de ocorrer, pela primeira vez. Este triunfo inédito será, sem dúvida, a descoberta astronômica do ano.
A galáxia NGC 4993, localizada a 130 milhões de anos-luz de distância, já havia sido fotografada muitas vezes antes. Mas logo após a detecção de ondas gravitacionais em 17 de agosto de 2017, uma nova fonte transitória de luz foi vista: a contraparte óptica de uma fusão de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: P. K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam.
A teoria sobre fusões de estrelas de nêutrons existe há muito tempo: elas são a origem de uma classe de explosões de raios gama. Em teoria, deve haver muitos desses sistemas que levam a fusões de estrelas de nêutrons, como estrelas binárias massivas que se transformam em supernovas devem produzir estrelas de nêutrons, exceto as mais massivas. Vimos muitos sistemas de pulsares binários e sabemos que são estrelas de nêutrons, por isso estamos confiantes de que existem. Com o tempo, essas órbitas decaem gravitacionalmente, levando a uma aceleração da órbita que não apenas observamos, mas também foi premiado com um Prêmio Nobel por conta própria . Assim como os buracos negros inspiram e se fundem, também devem as estrelas de nêutrons, a partir da emissão de ondas gravitacionais.
Duas estrelas de nêutrons em fusão, conforme ilustrado aqui, espiralam e emitem ondas gravitacionais, mas são muito mais difíceis de detectar do que os buracos negros. Portanto, eles só podem ser vistos se estiverem por perto. No entanto, ao contrário dos buracos negros, eles devem ejetar uma fração de sua massa de volta ao Universo, onde compõe a maioria dos elementos mais pesados que conhecemos e emite uma contraparte eletromagnética. Crédito da imagem: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
Ao contrário das fusões buraco negro-buraco negro, as fusões de estrelas de nêutrons não vão até o horizonte de eventos, mas têm uma superfície dura. A fase inspiral será semelhante à dos buracos negros, mas menor em amplitude (devido à menor massa), e haverá um corte: quando as duas superfícies se encontrarem. Nesse momento, haverá uma reação energética descontrolada, pois cerca de 5% da massa das estrelas de nêutrons é ejetada, expelindo grandes quantidades dos elementos estáveis mais pesados no espaço e levando à criação de um buraco negro de ~ 95 % da massa combinada das estrelas de nêutrons. Além disso, haverá radiação emitida: uma explosão de raios gama, seguida por um brilho ultravioleta/óptico que desaparecerá no infravermelho e depois desaparecerá completamente.
O brilho óptico de GRB021211 existiu claramente 1 minuto após o GRB, foi muito fraco aos 9 minutos após o GRB e indetectável 2 horas depois. Os astrônomos agora pensam que cada GRB é acompanhado por um brilho residual em comprimentos de onda ópticos se observado com antecedência suficiente. Felizmente, o brilho óptico da fusão associada ao GW170817 durou mais de duas horas! Crédito da imagem: telescópio RAPTOR e equipe RAPTOR no Laboratório Nacional de Los Alamos; LANL/Universidade da Califórnia.
Houve evidências indiretas de cada uma dessas etapas independentemente, mas nada ligando todas elas ao mesmo evento. Até que, isto é, o evento de 17 de agosto chegou. Com três detectores - LIGO Hanford, LIGO Livingston e VIRGO - todos funcionando simultaneamente, a evidência de uma inspiração começou a aparecer em cada um.
O sinal que vimos durou muito mais tempo e a fusão ocorreu muito mais perto da Terra do que qualquer uma das fusões anteriores de buraco negro-buraco negro vistas anteriormente pelos detectores. Embora o sinal em si fosse muito menor, nossa proximidade e a longa duração pela qual um sinal poderia ser extraído levou não apenas a uma detecção robusta, mas a uma medição rápida e precisa no céu de exatamente onde esse evento ocorreu. Após apenas algumas horas de análise manual para aumentar o software de detecção automatizada, a localização foi determinada: galáxia NGC 4993, a apenas 130 milhões de anos-luz de distância.
Assim que a localização foi identificada, muitos dos maiores observatórios da Terra, incluindo o Hubble baseado no espaço, se voltaram para NGC 4993 para observá-lo. O sinal revelador de uma fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons, mostrado acima, representou a primeira correlação cruzada entre a onda gravitacional e o céu eletromagnético. Crédito da imagem: P. K. Blanchard / E. Berger / Harvard-CfA / HST.
À medida que o boletim ia para os observatórios em todo o mundo – inclusive na órbita baixa da Terra – um total de cerca de 70 telescópios focaram seus olhos no local apontado pelos detectores de ondas gravitacionais. O que eles viram foi uma confirmação espetacular do que foi teoricamente previsto e marcou a primeira vez que o mesmo evento foi visto no céu de ondas gravitacionais e no céu baseado em luz. Este foi o principal objetivo científico que observatórios de ondas gravitacionais como o LIGO esperavam alcançar quando foram projetados. Apesar do fato de que as fusões de buracos negros vieram primeiro, é notável que apenas dois anos depois (e apenas algumas semanas depois que o detector VIRGO foi sincronizado pela primeira vez com os detectores LIGO), estrelas de nêutrons em fusão foram pegas em flagrante.
A inspiração e a fusão de duas estrelas de nêutrons, conforme ilustrado aqui, produziram um sinal de onda gravitacional muito específico. Além disso, o momento e as consequências da fusão também produziram radiação eletromagnética única e identificável como pertencente a esse cataclismo. Crédito da imagem: NASA.
O sinal da onda gravitacional indicou que, de fato, as estrelas de nêutrons inspiraram a velocidades de até um terço da velocidade da luz, colidiram e se fundiram e formaram um buraco negro. As observações baseadas em luz, no entanto, foram o acompanhamento mais notável que poderíamos ter pedido, mostrando inequivocamente que o material rico em nêutrons foi rapidamente descartado, decaindo em escalas de tempo que correspondiam exatamente às previsões teóricas. Esta foi a primeira observação de um chamado quilonova desde tão cedo no processo e confirmação de todo o espectro eletromagnético. De acordo com Duncan Brown, da Syracuse University, especialista em astronomia de ondas gravitacionais e membro da equipe LIGO:
Quando você assiste a esse decaimento radioativo, o que você está basicamente assistindo é a alquimia espacial. É o universo criando ouro e platina.
Pela primeira vez, agora temos evidências visuais de que os elementos mais pesados da tabela periódica não surgem principalmente de supernovas, mas de colisões de estrelas de nêutrons.
Sabíamos que quando duas estrelas de nêutrons se fundem, como simulado aqui, elas deveriam criar jatos de explosão de raios gama, assim como outros fenômenos eletromagnéticos. Como se vê, foram os sinais do decaimento radioativo de nêutrons que indicaram a presença de ouro, platina e outros elementos pesados em grande abundância. Crédito da imagem: NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz e L. Rezzolla.
De acordo com Stefan Ballmer, que ajudou a construir os detectores Advanced LIGO, a quantidade de ouro produzida por esta colisão rivaliza com a massa da nossa Lua:
Se você está se perguntando quanto vale o ouro que vimos sendo feito? Cerca de US$ 10 octilhões — US$ 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 — aos preços de hoje.
Para aqueles que estão se perguntando, são aproximadamente 1.046 átomos de ouro, ou dez quatrilhões de vezes mais do que extraímos em toda a história humana.
O ouro que encontramos na superfície da Terra vem em veios e depósitos semelhantes a raias. Ao longo de centenas de milhões a bilhões de anos, o ouro das colisões de estrelas de nêutrons chega às regiões de formação de estrelas, onde se torna parte de planetas recém-formados. Em talvez um bilhão de anos, o ouro dessa colisão acabará em uma série de novos planetas também. Crédito da imagem: ETH-Zurique.
Graças ao trabalho das equipes LIGO e VIRGO, conseguimos identificar a localização da fusão na pequena galáxia NGC 4993, localizada a apenas 130 milhões de anos-luz de distância. (O primeiro evento de onda gravitacional, em comparação, estava mais de dez vezes mais distante; foi apenas a proximidade dessas estrelas de nêutrons em fusão a nós que permitiu uma detecção.) Devido ao acompanhamento eletromagnético que foi possível por ter três detectores funcionando ao mesmo tempo, conseguimos reunir a astronomia tradicional com a astronomia de ondas gravitacionais pela primeira vez. Segundo Edo Berger,
Mostramos que os elementos mais pesados da tabela periódica, cuja origem foi envolta em mistério até hoje, são formados nas fusões de estrelas de nêutrons. Cada fusão pode produzir mais do que a massa da Terra de metais preciosos como ouro e platina e muitos dos elementos raros encontrados em nossos celulares.
Além disso, aprendemos que essas estrelas de nêutrons se formaram cerca de 11 a 12 bilhões de anos atrás e estão se aproximando de uma fusão desde então. O que vimos durante aqueles poucos dias de meados ao final de agosto foi o culminar de uma história de ondas gravitacionais que é mais que o dobro da Terra inteira.
Poucas horas após a chegada do sinal da onda gravitacional, os telescópios ópticos foram capazes de aprimorar a galáxia que abriga a fusão, observando o local da explosão se iluminar e desaparecer praticamente em tempo real. Crédito da imagem: P.S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam.
Pela primeira vez na história, a astronomia de ondas gravitacionais não é um sonho, nem é uma maneira de procurar objetos esotéricos que não podemos ver por outros meios. Em vez disso, é realmente uma parte do nosso céu noturno e o primeiro sinal de um cataclismo astronômico. No futuro, à medida que a astronomia de ondas gravitacionais melhorar, ela pode até servir como um sistema de alerta antecipado, permitindo-nos localizar fontes prestes a se fundirem antes que isso aconteça. Pode crescer para incluir não apenas buracos negros e estrelas de nêutrons, mas também anãs brancas e buracos negros supermassivos que engolem objetos. A astronomia de ondas gravitacionais tem apenas dois anos e ainda nem a levamos ao espaço. O próximo passo na compreensão do Universo está diante de nós. Sente-se e aproveite o passeio!
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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