Boa notícia em múltiplos canais: observações da fusão entre duas estrelas de nêutrons

Títulos:

1) GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral

2) Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger

Autores: LIGO Scientific Collaboration, Virgo Scientific Collaboration & Grupos parceiros

Instituição do primeiro autor: LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration

Status:  aceitos pelo Physics Review Letters e pelo Astrophysical Journal Letters, respectivamente [acesso aberto]

Figura 1: ilustração artística da fusão entre duas estrelas de nêutrons. Os feixes em diagonal representam a erupção de raios-gama, e as espirais ao redor dos objetos representam as ondulações no espaço tempo provocadas pela onda gravitacional emitida no processo de fusão. Nuvens de material em rotação ejetado durante o processo são uma possível explicação para as detecções em menores energias.

Em 17 de agosto de 2017, ondas viajando pelo tecido do espaço-tempo atravessaram um pequeno planeta depois de uma jornada que levou mais de 100 milhões de anos, gentilmente esticando e apertando esse pequeno ponto azul e alterando sua forma pelo equivalente a uma fração de um átomo. Momentos depois, uma erupção de raios-gama de alta energia terminou sua jornada até nosso cantinho na Via-Láctea, trazendo um arco-íris de luz por todo o espectro eletromagnético em seu rastro. Essa enxurrada de informação era há tempos procurada: o Santo Graal da astronomia de múltiplos-mensageiros (ou multi-messenger astronomy).

Essas ondulações no espaço, ou ondas gravitacionais, vieram de duas estrelas de nêutrons, que são os remanescentes da evolução de estrelas de alta massa. Elas são tão densas quanto o núcleo de um átomo, com massas comparáveis à do Sol comprimidas ao tamanho de uma cidade. A rede de três interferômetros da colaboração LIGO/Virgo testemunhou os 100 segundos finais da última dança dessas estrelas, que espiralaram e colidiram, depois de terem vivido e evoluído juntas por possivelmente bilhões de anos. Esse evento foi subsequentemente nomeado GW170817. A Figura 2 mostra os últimos 30 segundos da dança, quando as ondas gravitacionais aumentaram em frequência e em amplitude conforme a distância entre as estrelas diminuía.

Isso já é de tirar o fôlego, mas é apenas o começo da história.

Boas vibrações

Figura 2: Espectrogramas do sinal GW170817 nos detectores do LIGO (Hanford e Livingston) e do Virgo. O sinal da binária apresenta um piu característico — aumentando em frequência e em amplitude conforme as estrelas espiralam para cada vez mais perto uma da outra. Figura 1 no artigo 1.

Em 2015, o LIGO fez as primeiras observações de ondas gravitacionais, geradas no processo de fusão entre dois buracos negros, evento que foi chamado de GW150914. Desde então, outros três eventos decorrentes da fusão de buracos negros foram detectados (o último, GW170814, já com a ajuda do Virgo). Contudo, a detecção de estrelas de nêutrons em interação continuava um sonho. Estrelas de nêutrons forneceram a primeira evidência indireta de ondas gravitacionais, por meio da observação da evolução da órbita da binária de Hulse-Taylor. Essa binária foi descoberta nos anos 1970, e a variação no seu período foi o primeiro indicativo da existência de ondas gravitacionais, previstas por Einstein sessenta anos antes. A descoberta desse peculiar objeto deu a Hulse e Taylor o prêmio Nobel de física em 1993. Cinquenta anos (e outro prêmio Nobel de física) depois, nós finalmente temos evidência direta de ondas gravitacionais vindas de um sistema binário de estrelas de nêutrons.

Baseado no sinal de ondas gravitacionais, podemos obter várias informações sobre o sistema binário, como as massas das duas estrelas de nêutrons, quão rápido estão rotando e a que distância ocorreu a fusão. A quantidade que pode ser melhor extraída de uma fusão detectada por ondas gravitacionais é uma combinação das massas dos dois objetos conhecida como “massa de piu” (ou chirp mass). Essa quantidade é a que principalmente influencia o sinal de “piu” que pode ser visto na Figura 2. Contudo, outros parâmetros do sistema contribuem para o sinal e podem ser estimados dos dados. As massas das duas estrelas de nêutrons foram estimadas em 1.17 e 1.60 vezes a massa do Sol, o que é consistente com outros sistemas que observamos na Via-Láctea. Mas que objeto foi criado com a fusão? A verdade é que não sabemos! Poderia ser tanto uma das estrelas de nêutrons mais pesada já observada, ou um dos buracos negros mais leves já observado!

As estrelas de nêutrons se fundiram a um distância de 130 milhões de anos-luz — o que significa que dinossauros ainda vagavam pela Terra quando as estrelas colidiram, e que as ondas estiveram viajando até nós desde então. Embora isso pareça muito longe, é de fato uma distância bastante próxima em termos de detecção por ondas gravitacionais (cerca de onze vezes mais próxima que o evento GW150914). Além disso, as massas muito menores de estrelas de nêutrons em comparação com buracos negros implica que elas passaram muito mais tempo na região de sensibilidade do LIGO, completando cerca de 1500 órbitas durante a detecção (comparado com apenas 10 do evento GW150914). A combinação entre sua pequena distância e seu maior tempo acima do limite de detecção, somado à inclusão do Virgo na rede de interferômetros fez do sinal GW170817 o mais alto até agora!

Possivelmente mais importante para a continuação da nossa história, é o fato de que GW170817 pôde ser localizado em uma região bem menor do céu que os eventos anteriores (ainda significativa, pois é comparável à área de 150 Luas cheias!). Como estrelas de nêutrons são compostas por matéria (diferente dos buracos negros), espera-se que elas liberem uma grande quantia de luz por todo o espectro eletromagnético quando se fundem.

Que se faça luz

Além da ciência surpreendente que podemos fazer apenas com ondas gravitacionais, a detecção de uma contrapartida eletromagnética do evento conectou uma série de fenômenos astrofísicos: estrelas de nêutrons, a erupção curta de raios-gama e a nucleossíntese de elementos pesados.

Logo após a detecção inicial do LIGO, os telescópios de raios-gama Fermi-GRB e INTEGRAL detectaram uma erupção de raios-gama bastante fraca e que durou apenas alguns segundos. Essa descoberta conectou de uma vez por todas a fusão de estrelas de nêutrons com as erupções curtas de raios-gama, como já se suspeitava, mas ainda não se tinha confirmação. Misteriosamente, esse raio-gama foi bem mais tênue que outros detectados, mas a razão para isso ainda é desconhecida.

Após o anúncio interno entre os membros da colaboração da descoberta da fusão de duas estrelas de nêutrons, muitos times ao redor do mundo apontaram seus telescópios para o céu em busca do evento. Apenas onze horas depois da descoberta, o time do telescópio One-Meter, Two-Hemisphere (1M2H) anunciou a descoberta de um novo transiente ótico na galáxia NGC 4993.

Outro time movendo seu telescópio na direção de NGC 4993 foi liderado pela astrônoma brasileira Dr. Marcelle Soares-Santos, que obteve imagens no ótico do resultado da fusão usando a Dark Energy Camera (DECam), no Chile, mostradas na Figura 3.

Figura 3: imagens obtidas com a DECam 0.5-1.5 dias e mais de duas semanas após o evento, quando o brilho dos objetos já não é mais detectável.

Quando o espectro do transiente foi examinado, os cientistas rapidamente deram-se conta de que esse era um evento nunca antes observado: uma kilonova, responsável pela formação de muitos dos elementos pesados do nosso Universo (os chamados “elementos dos processos r e s“, que se formam em um tipo especial de nucleossíntese que requer ambientes ricos em nêutrons).

Finalmente, semanas após a descoberta original, o brilho da fonte foi observado tanto em raios-X quando em ondas de rádio. A detecção foi consistente com o que se espera do afterglow de uma erupção curta de raios-gama, a emissão vista como resultado da interação entre o raio-gama original e o ambiente ao redor da fusão. Essa emissão final deve permanecer brilhante o suficiente para ser detectada por várias semanas.

A versão avançada do LIGO e o Virgo estiveram funcionando por apenas dois anos, mas já abriram um novo ramo na astrofísica! Quem sabe o que estão reservando para o futuro!


Este artigo foi adaptado de Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, publicado em inglês no Astrobites e escrito por Ashley Villar and Mike Zevin, que são co-autores dos artigos discutidos.

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