Ciência 

A dança da morte de uma estrela de nêutrons

Na manhã do dia 17 de agosto, ondas gravitacionais chegaram à Terra, tropeçando em detectores ultra-sensíveis esperando exatamente esse tipo de evento.

Primeiro, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser (LIGO), com sede nos EUA, capturou um forte sinal de ondas gravitacionais do espaço. Ao mesmo tempo, o Monitor de Raio Gamma no telescópio espacial Fermi da NASA registrou uma explosão de raios gama. Um terceiro detector, o Virgo, situado perto de Pisa, na Itália, forneceu indícios da localização do evento cósmico.

Um alerta foi enviado a colaboradores em todo o mundo e, em algumas horas, cerca de 70 instrumentos viram a localização a apenas 130 milhões de anos-luz de distância.

“A evidência de que essas novas ondas gravitacionais são provenientes da fusão de estrelas de nêutrons foi capturada, pela primeira vez, por observatórios na órbita da Terra que detectam radiação eletromagnética, incluindo luz visível e outros comprimentos de onda”, afirma Chad Hanna, professor assistente de física e de astronomia e astrofísica na Penn State e analista de dados primários da LIGO.

Milhares de cientistas contribuíram para este trabalho e relataram suas descobertas iniciais em Physical Review Letters e The Astrophysical Journal Letters.

O sinal histórico

“Perto do fim, as duas estrelas de nêutrons estavam orbitando umas com as outras quase à velocidade da luz”, explica David Sand, professor assistente da Universidade do Arizona.

Esta animação captura fenômenos observados no decurso de nove dias após a fusão de estrelas de nêutrons conhecida como GW170817. Eles incluem ondas gravitacionais (arcos pálidos), um jato de velocidade leve que produziu raios gama (magenta), expandindo detritos de um kilonova que produziu emissão ultravioleta (violeta), óptica e infravermelha (azul-branco para vermelho) e, Uma vez que o jato dirigido para nós expandiu a nossa visão da Terra, raios-X (azul). (Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / CI Lab)

Sand é o investigador principal de um instrumento de pesquisa de supernova que ele descreve como um “telescópio de quintal bem iluminado”. Com um espelho primordial de 16 polegadas e escondido em uma cúpula em cima de uma montanha no deserto chileno de Atacama, o instrumento é manipulado com eletroeletrônicos personalizados, permitindo que ele explore o céu noturno por conta própria, sem supervisão humana.

Cerca de 11 horas após as ondas gravitacionais chegarem, o telescópio automatizado da Sand detectou uma estrela que não estava lá antes, na localização que as equipes LIGO e Virgo transmitiam.

De acordo com Laura Cadonati, professora de física da Georgia Tech e porta-voz adjunta da LIGO Scientific Collaboration, “será lembrado como um dos eventos astrofísicos mais estudados na história”.

“As fusões de estrelas duplas de nêutrons foram preditas ao longo de muitas décadas para gerar explosões tão poderosas, mas esta descoberta multi-messenger traz duas partes principais do quebra-cabeça pela primeira vez”, diz Vicky Kalogera, da Northwestern University, o principal astrofísico da LIGO Colaboração científica.

Inesperada emissão UV

Cerca de 16 minutos após a notificação da LIGO/Virgo, o Swift Gamma Ray Burst Explorer, um satélite da NASA em baixa órbita terrestre, mudou-se para o novo alvo. Swift, que orbita a Terra a cada 96 minutos e pode manobrar para observar um alvo em apenas 90 segundos, começou a procurar uma contraparte eletromagnética.

Inicialmente, devido às previsões de modelos teóricos, os pesquisadores achavam que a radiação eletromagnética que eles veriam seria raios-X. É por isso que o NuSTAR da NASA (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), que examina os raios-X, também procurou os sinais eletromagnéticos no céu. Nem o Swift nem o NuSTAR detectaram quaisquer raios-X.

“Para rajadas de raios gama, os modelos prevêem que uma emissão precoce de raios-X seria vista”, diz Aaron Tohuvavohu, sobre as operações científicas do Swift e da Penn State. “Mas não houve nenhum detetive desse evento até 9 dias após a fusão”.

Em vez disso, Swift identificou um pós-brilho ultravioleta rapidamente desaparecendo. “O início da emissão de UV foi inesperado e muito emocionante”, acrescenta Tohuvavohu.

Explosões de raios gama aparecem como uma explosão direcional de energia de estrelas maciças colapsadas. Qualquer tipo de detector deve estar dentro de um certo arco da explosão para vê-lo. O pós-brilho da explosão, no entanto, é mais omnidirecional.

“Tudo o que pensávamos que ia acontecer, não era o que realmente aconteceu”, diz Jamie A. Kennea, chefe da equipe das operações científicas do Swift e professora de pesquisa associada de astronomia e astrofísica na Penn State. “O próximo evento de fusão de estrela de nêutrons e estrelas de nêutrons pode parecer muito diferente”.

Ouro e platina de um kilonova

A dança de morte espiral das estrelas de nêutrons terminou com uma colisão extremamente violenta e brilhante, poderosa o suficiente para forjar ouro, platina, chumbo e outros elementos pesados.

Os astrônomos do Observatório Las Cumbres em Santa Barbara, Califórnia, ativaram sua rede robótica de 20 telescópios em todo o mundo e foram uma das seis equipes para co-descobrir uma nova fonte de luz nessa região e localizá-la na galáxia NGC 4993.

“Esse sinal de onda gravitacional nunca foi visto antes, mas foi inequivocamente gerado por duas estrelas de nêutrons em espiral”, explica Iair Arcavi, um pós-doutorado na Universidade da Califórnia, departamento de física de Santa Bárbara e líder do esforço de acompanhamento do LCO que aparece no jornal Nature.

A explosão que ocorre logo após duas estrelas de nêutrons se fundirem é chamado de kilonova, um fenômeno há muito teorizado, embora nunca tenha sido observado de forma conclusiva até agora. Ao contrário das instalações tradicionais terrestres com telescópios simples, a rede LCO poderia observar o fenômeno todas as poucas horas por cinco dias consecutivos. Durante esse tempo, a luz da explosão diminuiu com um fator de 20, desaparecendo a uma taxa sem precedentes para algo tão luminoso.

“Durante anos, ouvimos os teóricos preverem como um kilonova poderia ser. Eu não podia acreditar que finalmente estávamos vendo uma pela primeira vez “, diz Arcavi.

O nome se origina a partir da previsão de que um kilonova seria mil vezes mais brilhante do que uma nova, embora mais fraca do que uma supernova. É pensado que uma Kilonova é a principal fonte de todos os elementos mais pesados ​​que o ferro no universo. Por exemplo, a maior parte do ouro na Terra pode ter sido criada em um kilonova.

“Graças a este evento multi-messenger, sabemos que as fusões de estrelas de nêutrons podem produzir elementos pesados, como ouro, prata e ferro, que são tão importantes para nós neste planeta”, diz Raffaella Margutti, professora assistente de física e astronomia no Northwestern e co-líder de dois esforços observacionais cobrindo o espectro eletromagnético que se seguem ao sinal de onda gravitacional de 17 de agosto.

O que há de tão especial sobre as estrelas de nêutrons?

Uma estrela de nêutrons resulta quando o núcleo de uma grande estrela colapsa e os átomos ficam esmagados. Os prótons e os elétrons se espremem e a estrela restante é de cerca de 95 por cento de nêutrons. Uma colher de sopa cheia de estrelas de nêutrons pesa tanto quanto o Monte Everest.

“As estrelas de nêutrons têm uma das gravidades mais fortes que você encontrará, os buracos negros têm o mais forte, e, assim, eles nos ajudam a estudar a gravidade do campo forte em torno deles para ver se ele se desvia da relatividade geral“, diz Mandeep Gill, o coordenador de divulgação da KIPAC na SLAC e da Universidade de Stanford e colaborador da colaboração do Dark Energy Survey.

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Os astrônomos propuseram a existência de estrelas de nêutrons em 1934. Elas foram encontrados pela primeira vez em 1967 e, em 1975, um radiotelescópio observou a primeira instância de um sistema de estrela de nêutrons binário. A partir dessa descoberta, Roger Blandford, professor de física em Stanford, e colegas confirmaram as previsões da Teoria Geral da Relatividade.

Blandford diz que os cálculos relacionados ao sistema Advanced LIGO saw são ainda mais complicados porque as estrelas estão muito mais próximas e só podem ser completadas por um computador. Esta observação continua a apoiar a Teoria Geral da Relatividade, mas Gill tem esperança de que sistemas de estrelas de nêutrons binários adicionais possam começar a informar a extensão da teoria que poderia revelar como ela se encaixa na teoria quântica, na energia escura e na matéria escura.

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“Uma das coisas que considero terrivelmente emocionante sobre essas observações é que não só eles confirmam aspectos de preceitos astronômicos e relativistas, mas eles realmente nos ensinam coisas sobre física nuclear que não compreendemos corretamente”, diz Blandford.

À medida que observamos mais desses sistemas, que os cientistas antecipam, podemos finalmente entender os mistérios de longa data das estrelas de nêutrons, como se tivessem terremotos em sua crosta ou se, como se suspeitava, eles têm pequenas montanhas que enviam seu próprio sinal de onda gravitacional .

“Mesmo que estivemos fazendo astronomia desde o início da civilização, cada vez que ativamos novos instrumentos, aprendemos coisas novas sobre o que está acontecendo no universo”, diz Brian Lantz, pesquisador sênior que lidera a Instalação de Teste de Engenharia para LIGO em Stanford.

“Se os elementos mais pesados ​​do que o ferro são realmente feitos em eventos como este, essas coisas estão aqui na Terra e é provável que tenha sido gerado por eventos como este. Isso dá uma maneira de alcançar e tocar as estrelas”.

“Este é apenas um começo. Há muitas inovações para vir e não sei onde estaremos em 10 anos, 20 anos e 30 anos “, diz Peter Michelson, professor de física da Universidade de Stanford, que encabeça o Telescópio da Área Grande de Fermi. “A janela está aberta e haverá surpreendentes surpresas. Isso, para mim, é o mais emocionante”.

Fontes: Universidade do Arizona, Penn State, Northwestern University, UC Santa Barbara, Universidade de Stanford, via Futurity.org
Estudo original DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.161101

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