• Começa Com Um Estrondo

O LIGO acabou de detectar o sinal 'Trifecta' que todos os astrônomos esperavam?

Quando uma onda gravitacional passa por um local no espaço, ela causa uma expansão e uma compressão em tempos alternados em direções alternadas, fazendo com que os comprimentos dos braços do laser mudem em orientações mutuamente perpendiculares. Explorar essa mudança física é como desenvolvemos detectores de ondas gravitacionais bem-sucedidos, como LIGO e Virgo. Ao combinar detecções de ondas gravitacionais com detectores de partículas e eletromagnéticos, poderíamos ganhar a sorte grande: um trio para astronomia multi-mensageiro. (ESA-C. CARREAU)

O sonho da astronomia multimensageira é ver um evento com ondas gravitacionais, neutrinos e luz juntos. O mais novo candidato pode nos levar até lá.

Quando se trata de eventos cataclísmicos no Universo – onde quer que interações astrofísicas de grande magnitude causem uma enorme liberação de energia – nossa compreensão das leis da física nos diz que existem três maneiras possíveis de detectá-las e medi-las. A primeira é a mais familiar: através da luz, ou ondas eletromagnéticas. A segunda é através da chegada de partículas: como raios cósmicos ou neutrinos energéticos. E a terceira, que se concretizou há pouco menos de quatro anos, é a partir da detecção de ondas gravitacionais.

Desde que a detecção de ondas gravitacionais ocorreu pela primeira vez, os astrônomos esperavam pelo evento final: um sinal que seria identificável e detectável através dos três métodos. Nunca foi observado antes, mas desde que o LIGO iniciou sua última coleta de dados em abril, tem sido a esperança não tão secreta de astrônomos de todos os tipos. Com um novo evento de candidato observado no domingo, 28 de julho de 2019, podemos ter acabado de ganhar o jackpot.

LIGO e Virgo descobriram uma nova população de buracos negros com massas maiores do que o que havia sido visto antes apenas com estudos de raios-X (roxo). Este gráfico mostra as massas de todas as dez fusões de buracos negros binários confiantes detectadas pelo LIGO/Virgo (azul), juntamente com a fusão de uma estrela de nêutrons-estrela de nêutrons vista (laranja). Esperava-se que o LIGO/Virgo, com a atualização da sensibilidade, detectasse mais de uma fusão a cada semana a partir de abril deste ano. (LIGO/VIRGEM/UNIV. NORDESTE/FRANK ELAVSKY)

O LIGO estava operacional e coletando dados em dois períodos diferentes de 2015 a 2017, com execuções de 4 e 9 meses de duração, respectivamente. Este último incluiu uma sobreposição, durante o verão de 2017, com o funcionamento do detector VIRGO. Durante esse período, esses detectores de ondas gravitacionais viram um total de 11 eventos que agora foram classificados como detecções de ondas gravitacionais robustas.

10 deles eram de fusões buraco negro-buraco negro, onde as massas desses buracos negros em fusão variavam de um mínimo de 8 massas solares a um máximo de 50 massas solares, embora com grandes incertezas. Quando os buracos negros se fundem, não se espera que tenham uma contraparte eletromagnética. Apenas um desses eventos - o primeiro - teve qualquer sinal baseado em luz detectado que possivelmente estava associado a ele, e mesmo isso foi apenas por um detector (fermi da NASA) e em uma significância modesta (2,9 sigma) .

Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade ondulante do espaço-tempo representa as ondas gravitacionais emitidas pela colisão, enquanto os feixes estreitos são os jatos de raios gama que disparam apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais (detectadas como uma explosão de raios gama pelos astrônomos). As consequências da fusão de estrelas de nêutrons observadas em 2017 apontam para a criação de um buraco negro. (NSF / LIGO / UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA / A. SIMONNET)

Mas um sinal era fundamentalmente diferente. Em vez de uma fusão buraco negro-buraco negro, tinha as propriedades de frequência e amplitude certas para indicar um tipo diferente de evento: uma fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons. Enquanto os buracos negros têm horizontes de eventos em torno da esmagadora maioria de suas massas, protegendo o universo externo de quaisquer partículas ou radiação eletromagnética que seriam criadas a partir do evento cataclísmico, as estrelas de nêutrons não.

Como resultado, um sinal de raios gama chegou quase ao mesmo tempo exato que as ondas gravitacionais, com menos de 2 segundos de diferença no tempo de chegada. Ao longo de uma jornada de mais de 100 milhões de anos-luz, essa medição confirmou que as ondas gravitacionais e as ondas eletromagnéticas viajam na mesma velocidade para dentro de 15 dígitos significativos, e também anunciou o primeiro sinal multi-mensageiro que envolveu ondas gravitacionais.

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. (P.K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

Nas próximas semanas, dezenas de outros observatórios profissionais entraram em ação. Raios-X, sinais ópticos, infravermelho e observações de rádio permitiram que os astrônomos estudassem melhor esse evento kilonova e ajudaram os astrônomos em todos os campos a entender como seus dados e informações seriam complementares no caso de tal evento.

Embora possamos aprender uma tremenda quantidade de informações astrofísicas sobre esses objetos e eventos de cada comprimento de onda eletromagnético, as informações que aprendemos com as ondas gravitacionais são diferentes. Mesmo com apenas este evento multi-mensageiro, as ondas gravitacionais sozinhas nos ensinaram:

• a localização aproximada deste evento,
• as massas das estrelas de nêutrons antes da fusão,
• a massa final do objeto de estado final,
• e que o objeto pós-fusão era uma estrela de nêutrons que girava rapidamente por uma fração substancial de segundo antes de finalmente desmoronar em um buraco negro.

O remanescente da supernova 1987a, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. O fato de os neutrinos terem chegado horas antes do primeiro sinal de luz nos ensinou mais sobre a duração que a luz leva para se propagar pelas camadas de uma supernova da estrela do que sobre a velocidade com que os neutrinos viajam, que era indistinguível da velocidade da luz. Neutrinos, luz e gravidade parecem todos viajar na mesma velocidade agora. (NOEL CARBONI & THE ESA/ESO/NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

Isso marcou a primeira vez que as ondas gravitacionais foram usadas como um componente da astronomia multimensageira, mas não foi o único evento multimensageiro já observado. Em 1987, uma supernova explodiu na Grande Nuvem de Magalhães, que está cosmicamente em nosso próprio quintal a apenas 165.000 anos-luz de distância. Ele marcou a supernova mais próxima a ocorrer, nas proximidades da Terra, na era moderna da física e da astronomia.

Embora a luz chegasse aos nossos telescópios e detectores, foi um benefício notável para a astronomia, pois isso nos permitiu estudar uma supernova de perto de uma maneira que não era possível desde a invenção do telescópio. Mas as supernovas são acompanhadas por reações de fusão nuclear descontroladas, e essas geram um tremendo número de neutrinos. Com grandes tanques cheios de fluido alinhados com tubos fotomultiplicadores, conseguimos detectar uma enorme quantidade de neutrinos ao mesmo tempo.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitando o uso da radiação de Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. Os neutrinos detectados em 1987 marcaram o alvorecer tanto da astronomia de neutrinos quanto da astronomia multi-mensageiro. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

Isso marcou o verdadeiro alvorecer da astronomia multimensageira e, com isso, aprendemos uma tremenda quantidade de informações sobre o fenômeno que estávamos observando. Todos os neutrinos carregavam quantidades específicas de energia e chegaram ao longo de um período de vários segundos. Isso nos permitiu entender os mecanismos internos das reações nucleares que ocorrem em uma supernova de colapso do núcleo: informações que nunca poderíamos receber apenas de sinais eletromagnéticos.

Muitos cientistas estão esperançosos de que, se uma supernova semelhante explodir hoje, nossos instrumentos científicos nos permitiriam detectar dezenas de milhares de neutrinos – e, se a natureza for gentil, também ondas gravitacionais – além dos sinais de luz. Isso realizaria o sonho final do campo relativamente novo da astronomia multi-mensageiro: medir três tipos fundamentalmente diferentes de sinais associados ao mesmo evento.

Mesmo que os buracos negros devam ter discos de acreção, o sinal eletromagnético esperado para ser gerado por uma fusão buraco negro-buraco negro deveria ser indetectável. Se houver uma contraparte eletromagnética gerada junto com ondas gravitacionais de fusões de buracos negros binários, seria uma surpresa. Mas, novamente, detectar partículas de buracos negros em fusão também seria uma surpresa, e cientistas de todos os tipos vivem exatamente para esses tipos de surpresas inesperadas. (NASA / DANA BERRY (SKYWORKS DIGITAL))

Bem, ainda é muito cedo, mas esse sonho pode ser realizado com um evento que ocorreu em 28 de julho de 2019. Você pode se surpreender ao saber que o LIGO foi ativado novamente, após uma atualização substancial que aumentou sua sensibilidade e alcance de detecção, de volta em Abril de 2019. Está operando há quase quatro meses completos, coletando dados para praticamente todos.

E mesmo que você não tenha ouvido nada da colaboração nesse período, eles um banco de dados publicamente disponível de tudo o que eles consideram eventos candidatos . No momento em que esta peça está sendo escrita, 24 foram registrados: mais que o dobro do número total de eventos vistos durante as duas execuções anteriores combinadas. O mais recente, atualmente rotulado S190728q , pode vir a ser o primeiro evento triplo de astronomia multi-mensageiro de todos os tempos.

A estimativa de probabilidade, gerada aproximadamente uma hora após a observação do primeiro sinal, de onde o evento gravitacional candidato S190728q pode ter ocorrido no céu. Os relatórios iniciais foram menos restritivos e os relatórios subsequentes (com análise aprimorada) são mais restritivos, mas este é um das duas dúzias de eventos de ondas gravitacionais atraentes vistos desde que o LIGO foi reiniciado em abril. (COLABORAÇÃO LIGO)

Apenas a partir das ondas gravitacionais, os cientistas foram capazes de realizar uma análise rápida e restringir o local onde o evento originário pode ter ocorrido a apenas 55 graus quadrados (de ~40.000 em todo o céu) como o melhor lugar para procurar outros tipos de ondas gravitacionais. sinais mensageiros.

De forma totalmente independente, o detector de neutrinos IceCube no Pólo Sul detectou um evento de neutrino semelhante a uma trilha que corresponde quase ao mesmo tempo de origem. Por causa da raridade dos neutrinos, cada evento no IceCube é de interesse potencial como um sinal do Universo distante. Este, em particular, tem astrônomos de todo o mundo prendendo a respiração.

Podemos reconstruir sua localização no céu e descobrir que, notavelmente, o neutrino se sobrepõe no espaço e no tempo com o sinal de onda gravitacional preliminar visto pelo LIGO e Virgo!

Os ‘ladrilhos’ no céu que estão sendo escaneados pelo satélite Swift da NASA para procurar quaisquer contrapartes eletromagnéticas dos sinais vistos pelo LIGO/Virgo (contornos) e IceCube (neutrinos/partículas). Mesmo sem um sinal eletromagnético, isso pode marcar o primeiro evento de astronomia multi-mensageiro a envolver tanto ondas gravitacionais quanto partículas. (COLABORAÇÃO LIGO/VIRGO / ICECUBE DATA / NASA SWIFT / A. TOHUVAVOHU (TWITTER))

Agora mesmo, LIGO está afirmando, com 95% de confiança , que esta foi provavelmente uma fusão binária de buracos negros ocorrendo a cerca de 2,87 bilhões de anos-luz de distância. Se houver uma contraparte eletromagnética, seria revolucionário. De uma só vez, teríamos:

• temos nosso primeiro evento de astronomia de três mensageiros,
• aprender que ou este objeto não era um buraco negro binário ou que os buracos negros binários poderiam produzir contrapartes eletromagnéticas, e
• ter uma pista sobre quais tipos de eventos poderiam produzir ondas gravitacionais detectáveis, sinais de luz e neutrinos de uma distância tão grande.

Mesmo que nenhum sinal eletromagnético seja visto, mas os sinais IceCube e LIGO/Virgo se tornem reais, robustos e alinhados, seria uma tremenda conquista. Isso marcaria o primeiro evento multi-mensageiro a envolver ondas gravitacionais e partículas.

Um exemplo de um evento de neutrino de alta energia detectado pelo IceCube: um neutrino de 4,45 PeV atingindo o detector em 2014. O neutrino observado em 28 de julho de 2019 pode não possuir essa energia extrema, mas oferece uma chance de um prêmio ainda maior: um sinal multi-mensageiro entre partículas e ondas gravitacionais. (OBSERVATÓRIO DE NEUTRINOS DO PÓLO SUL ICECUBE / NSF / UNIVERSIDADE DE WISCONSIN-MADISON)

Claro, tudo isso é apenas preliminar neste momento. A colaboração LIGO ainda não anunciou uma detecção definitiva de qualquer tipo, e o evento IceCube pode ser um neutrino não relacionado em primeiro plano ou um evento totalmente espúrio. Nenhum sinal eletromagnético foi anunciado, e pode não haver nenhum. A ciência se move lenta e cuidadosamente, como deveria, e tudo o que foi escrito aqui é o melhor cenário para os esperançosos otimistas por aí, não um slam dunk de forma alguma.

Mas se continuarmos observando o céu dessas três maneiras fundamentalmente diferentes e continuarmos aumentando e melhorando a precisão com que o fazemos, é apenas uma questão de tempo até que o evento natural certo nos dê o sinal que todo astrônomo estava esperando. Há apenas uma geração, a astronomia multimensageira não passava de um sonho. Hoje, não é apenas o futuro da astronomia, mas o presente também. Não há momento na ciência tão emocionante quanto estar à beira de um avanço sem precedentes.

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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