A maior descoberta do LIGO quase não aconteceu
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). Crédito da imagem: NSF / LIGO / Universidade Estadual de Sonoma / A. Simonnet .
A fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons foi inicialmente vista apenas em 1 detector de 3. Veja como os cientistas não a deixaram escapar.
Em 17 de agosto de 2017, um evento de onda gravitacional diferente de qualquer outro apareceu em um dos detectores LIGO: em Hanford, WA. Apenas alguns dias antes, a primeira fusão buraco negro-buraco negro com todos os três detectores em execução - LIGO Livingston, LIGO Hanford e Virgo - foi detectada. Desta vez, um novo evento foi registrado, mas em vez de ter 1 a 2 segundos de dados, a significância durou mais de um minuto. Com uma probabilidade de alarme falso de apenas um em 300 bilhões (3 × 10^–12), um alerta foi enviado a todos da equipe. Mas o LIGO Livingston, que apareceu todas as vezes antes, não mostrou nada. Sem sinal em todos os detectores, não havia evento a declarar. Sem confirmação, isso seria apenas um alarme falso.
O Omega Scan dos dados do LIGO Hanford, dando o primeiro sinal de onda gravitacional decorrente de uma fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons. Crédito da imagem: B. P. Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017).
Felizmente para nós, os cientistas são apaixonados pelo que fazem e não deixam os resultados simplesmente para computadores ou algoritmos automatizados. Dois minutos depois que o alerta foi emitido, o que é conhecido como varredura ômega voltou, mostrando um novo tipo de evento consistente não com buracos negros, mas com uma fusão de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons. A fase de inspiração e fusão, juntamente com um chilrear gravitacional, era claramente visível, mesmo a olho nu. De acordo com o cientista do LIGO Salvo Vitale, que viu o sinal:
Eu vi a varredura ômega de Hanford, e vi que havia um sinal de chirp claro, que eu lembro de pensar ser ridículo , porque nós Nunca pensei que veríamos qualquer coisa em uma varredura ômega de uma fusão de estrelas de nêutrons binárias …
E então chegou a tão esperada notícia: o satélite Fermi da NASA, projetado para medir raios gama, a forma de luz de maior energia no Universo, havia visto algo. Menos de 2,0 segundos após a chegada do sinal LIGO Hanford, uma explosão de raios gama de curto período (sGRB) foi vista pelo observatório. Há muito se teorizava que as fusões de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons forneceriam uma história de origem potencial para eventos sGRB, e agora, com uma detecção de onda gravitacional correspondente a um, tivemos a primeira evidência tentadora.
O skymap criado pelo LIGO-Virgo (verde) mostrando a possível localização da fonte de ondas gravitacionais, em comparação com regiões contendo a localização da fonte de explosão de raios gama do Fermi (roxo) e INTEGRAL (cinza). A inserção mostra a posição real da galáxia (estrela laranja) contendo o transiente óptico que resultou da fusão de duas estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: NASA/ESO.
Parecia estar funcionando muito bem. Hanford tinha visto a evidência da onda gravitacional da fusão, então a primeira evidência do sinal eletromagnético correspondente, teoricamente gerado na sequência, foi observada. Foi exatamente como esperado: inspirar, esmagar, aquecer, irradiar. Havia apenas um problema: Livingston não tinha visto nada.
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. Mas o sinal da onda gravitacional quase não foi capturado. Crédito da imagem: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer.
Isso foi especialmente intrigante porque o LIGO Livingston estava, assim como Hanford, rodando no modo científico. Para cada um dos eventos detectados anteriormente, se um sinal foi acionado em um, foi acionado no outro. No entanto, desta vez, para a descoberta mais importante de todas, Livingston não tinha visto nada. Incrivelmente, um cientista júnior do LIGO chamado Reed Essick teve um pressentimento de que poderia ser uma coincidência incrível. Algumas vezes por dia, cada um dos detectores falhará, onde um evento transitório induzirá uma grande quantidade de ruído em um dos detectores. Estes não são sinais baseados em astrofísica, mas fontes de interferência terrestre. Eles duram apenas uma fração de segundo, mas os detectores LIGO são sensíveis a eles. Para evitar alarmes falsos, as falhas são identificadas e vetadas automaticamente.
O cientista do LSC e pós-doutorado do Kavli Institute da Universidade de Chicago, Reed Essick, mal consegue conter sua empolgação ao visitar o observatório de ondas gravitacionais Kagravitational no Japão. Essick foi quem encontrou a falha e o sinal GW170817 nos dados do LIGO Livingston. Crédito da imagem: Colaboração Científica LIGO.
Examinando os dados manualmente, Essick examinou a série temporal que coincidiria com o evento de Hanford. Com certeza, dentro do cronograma, uma enorme falha, com apenas 1 em 10.000 chances de ocorrer, foi encontrada no momento crítico. É apenas porque existem cientistas tão completamente investidos no resultado do LIGO que eles analisam manualmente os dados, até os dados rejeitados, para tentar encontrar a contrapartida dos alertas de detector único.
A falha que apareceu nos dados do LIGO Livingston, mostrado em amarelo brilhante aqui, fez com que a detecção potencial fosse vetada. Mas graças à identificação e análise manual, o sinal pôde ser recuperado manualmente. Crédito da imagem: B. P. Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017).
De acordo com Matt Evans, outro membro da colaboração LIGO:
A falha parece realmente terrível na varredura. Mas a verdade é que é grande em amplitude e curto em tempo, então não arruinaria nossa capacidade de fazer qualquer ciência sobre isso.
Com a reanálise concluída, os dois detectores LIGO agora detectaram robustamente um sinal de onda gravitacional inequívoca, de massas, períodos e propriedades do calibre de estrelas de nêutrons, em vez de buracos negros.
Então, por que o detector de Virgem não o viu?
O evento de onda gravitacional de 17 de agosto de 2017 apareceu nos detectores LIGO Hanford e LIGO Livingston (depois que a falha foi encontrada), mas não apareceu em Virgem, devido a aparecer no ponto cego de Virgem no momento. Crédito da imagem: B. P. Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017).
Todo detector de ondas gravitacionais tem alguns pontos cegos diferentes, onde um sinal proveniente de uma orientação específica no espaço não aparecerá no detector. Ondas gravitacionais, essas ondulações no espaço-tempo, fazem com que o tecido do espaço se expanda e se contraia de uma maneira particular e coerente. De quase qualquer lugar no céu, um sinal pode ser reconstruído, pois as ondas que chegam fazem com que os braços do detector se alonguem e diminuam de maneira observável.
A natureza quadrupolar de uma onda gravitacional causará uma compressão e alongamento de braços mutuamente perpendiculares, mas se uma onda entrar exatamente na orientação errada (no ponto cego do detector), o sinal será perdido. Crédito da imagem: M. Pössel/Einstein Online.
Mas devido à natureza quadrupolar das ondas gravitacionais e ao fato de a Terra ter uma forma aproximadamente esférica, existem alguns locais na Terra em um determinado momento onde os braços gravitacionais, mesmo que perpendiculares, não serão sensíveis às ondas que chegam. Se as coisas se contraírem/expandirem de maneira errada, o sinal será minimizado.
Localizações no céu de sinais de ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO a partir de 2015 (GW150914, LVT151012, GW151226, GW170104) e, mais recentemente, pela rede LIGO-Virgo (GW170814, GW170817). Depois que o Virgo entrou em operação em agosto de 2017, os cientistas conseguiram localizar melhor os sinais de ondas gravitacionais. Crédito da imagem: LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer (imagem da Via Láctea: Axel Mellinger).
Com base nos sinais que chegaram a Livingston e Hanford, havia uma grande região do céu de onde o sinal da onda gravitacional poderia ter vindo. O que Virgem viu, no entanto, foi um sinal de magnitude extremamente baixa e baixa significância. Por si só, não teria se destacado no fundo. Mas com as informações dos outros dois observatórios, juntamente com o fato de que sabíamos como Virgo se comportava a partir de uma detecção (de uma fusão buraco negro-buraco negro) apenas alguns dias antes, fomos capazes de determinar que o sinal deve ter se originado de dentro. O ponto cego de Virgem! Isso forneceu uma quantidade enorme de informações de localização (muito superiores às de Fermi) e foi o que nos permitiu identificar a localização da fusão: nos arredores de NGC 4993.
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.
Se tudo o que tivéssemos feito fosse olhar para os sinais automatizados, teríamos recebido apenas um alerta de detector único, no detector de Hanford, enquanto os outros dois detectores não teriam registrado nenhum evento. Teríamos jogado fora, tudo porque a orientação era tal que não havia sinal significativo em Virgem, e uma falha fez com que o sinal de Livingston fosse vetado. Se deixássemos a busca de sinal apenas para algoritmos e decisões teóricas, uma coincidência de 1 em 10.000 teria nos impedido de encontrar esse evento inédito. Mas tínhamos cientistas no trabalho: cientistas humanos reais, ao vivo, e agora vimos com confiança um sinal de vários mensageiros, em ondas gravitacionais e luz eletromagnética, pela primeira vez.
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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