O observatório LIGO, cujos criadores receberam o Prêmio Nobel de 2017, já mudou o mundo da astronomia. Quando cientistas da comunidade científica internacional LIGO descobriram as primeiras ondas gravitacionais em 2016, eles descobriram uma nova forma de observar o universo. Pela primeira vez, os cientistas foram capazes de "ouvir" as flutuações no espaço-tempo decorrentes da colisão de grandes objetos (por exemplo, buracos negros).
Mas aquilo foi só o inicio. O objetivo era combinar a observação de ondas gravitacionais com dados de telescópios mais convencionais.
Em outubro de 2017, na Physical Review Letters, a equipe de cientistas do LIGO, que inclui vários milhares de pessoas ao redor do mundo, publicou uma série de artigos sobre a incrível descoberta. Os pesquisadores conseguiram não apenas detectar ondas gravitacionais a partir da colisão de duas estrelas de nêutrons, mas também determinar suas coordenadas no céu, além de observar o fenômeno por meio de telescópios ópticos e eletromagnéticos.
"Esta é uma das histórias mais completas de um fenômeno astrofísico imaginável", disse o físico Peter Solson, da Syracuse University e membro da comunidade LIGO.
Cada fonte conta sua própria parte da história
As ondas gravitacionais informam aos físicos o tamanho e a distância dos objetos, o que lhes permite recriar o momento antes de colidirem. As observações da radiação visível e das ondas eletromagnéticas preenchem as lacunas que as ondas gravitacionais não conseguem explicar. Eles ajudam os astrônomos a descobrir do que os objetos foram feitos e quais elementos químicos vieram da colisão. No nosso caso, os cientistas puderam concluir que a explosão durante a fusão das estrelas de nêutrons levou ao aparecimento de elementos pesados - ouro, platina e urânio (o que antes era apenas suposto, mas não pôde ser confirmado por observação direta).
Agora os cientistas conseguiram ver com seus próprios olhos a alquimia do universo em ação. “Acho que o impacto desta descoberta na ciência será mais significativo do que a primeira detecção de buracos negros por meio de ondas gravitacionais”, disse Duncan Brown, outro cientista da comunidade LIGO e da Universidade de Syracuse. "Muitos aspectos da física e da astronomia estão envolvidos aqui." E tudo isso é fruto de uma caça ao tesouro entre as estrelas, na qual o mundo inteiro está envolvido.
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Corrida contra o tempo. Lugar marcado com uma cruz
Em 17 de agosto às 8h41, o LIGO detectou ondas gravitacionais - a curvatura do tempo e do espaço - passando pela Terra. LIGO são dois observatórios em forma de L nos estados americanos de Louisiana e Washington. Eles podem registrar ondas que comprimem e esticam o continuum espaço-tempo.
Nos últimos dois anos, o LIGO foi capaz de detectar ondas gravitacionais geradas por buracos negros em colisão. Mas o sinal em 17 de agosto foi bem diferente. Acabou sendo muito mais forte do que o registrado quando o buraco negro foi descoberto. O novo sinal durou 100 segundos, enquanto os sinais dos buracos negros apenas alguns. Isso significa que a colisão ocorreu muito mais perto da Terra.
Quando o LIGO detecta ondas gravitacionais, ele automaticamente envia notificações para centenas de cientistas em todo o mundo. Duncan Brown é um deles. “Recebemos um alerta telefônico muito rapidamente e percebemos que se tratava de um sinal inesperadamente forte de ondas gravitacionais. Ficamos chocados”, lembra ele.
Imediatamente ficou claro que não se tratava de uma fusão de buracos negros. A análise inicial mostrou que as ondas se originaram da colisão de duas estrelas de nêutrons - objetos com densidade muito alta. Acredita-se que elementos químicos pesados são formados dentro deles.
Quando o LIGO detecta ondas gravitacionais em buracos negros em colisão, nada pode ser visto no céu: os buracos negros, como seu nome sugere, são escuros. Que tal uma colisão de duas estrelas de nêutrons? O espetáculo deve ser como fogos de artifício coloridos.
Observatório Sarah Wilkinson / Las Campanas
E assim aconteceu: dois segundos após o sinal do LIGO, o telescópio espacial Fermi da NASA detectou uma explosão de raios gama - uma das rajadas mais poderosas de energia explosiva no Universo que conhecemos. Por muito tempo, os astrônomos construíram teorias de que a fusão de estrelas de nêutrons pode causar explosões de raios gama. E agora não poderia ser uma coincidência.
Ao mesmo tempo, a luz dessa fusão explosiva rapidamente se apaga. A contagem continuou por minutos e cientistas da comunidade científica internacional LIGO foram obrigados a se apressar. “Quanto mais rápido você chegar ao telescópio, mais informações obterá”, diz Brown. Ao estudar a luz e como ela muda, os cientistas podem reunir uma riqueza de informações que os ajudará a entender melhor as estrelas de nêutrons e como elas fundem a matéria mutante.
Brown e seus colegas começaram a trabalhar, organizando teleconferências com dezenas de cientistas em todo o mundo. A equipe do LIGO trabalhou com parceiros do VIRGO, um observatório italiano de ondas gravitacionais, para trabalhar com esforço redobrado para mapear o céu e localizar a origem das ondas gravitacionais. Eles estreitaram sua busca para uma área do tamanho de um punho no comprimento do braço. (Do ponto de vista astronômico, mesmo esta região é um espaço enorme. Uma área de um mapa com uma cabeça de fósforo à distância de um braço pode conter milhares de galáxias.) O detector VIRGO na Itália não captou um sinal, o que ajudou a determinar a posição das estrelas. VIRGO tem zonas sem recepção, portanto as estrelas de nêutrons deveriam estar localizadas perto de uma delas.
Este mapa do céu é o resultado da combinação de informações do Fermi, LIGO, VIRGO e Integral (outro observatório de raios gama). Cada detector forneceu uma área na qual um sinal poderia ocorrer. Onde eles se sobrepuseram, o local marcado com uma cruz no mapa dos tesouros cósmicos foi indicado.
Com o mapa em mãos, a equipe do LIGO enviou e-mails para astrônomos de todo o mundo que puderam explorar esta região do céu ao cair da noite.
E a sorte não passou por eles! Vários observatórios baseados em terra foram capazes de detectar a posição do kilon (ou mácron) - uma explosão a partir da colisão de duas estrelas de nêutrons. A foto à esquerda mostra o que os astrônomos capturaram na noite de abertura. À direita está como parecia alguns dias depois. A explosão diminuiu visivelmente.
1M2H / UC Santa Cruz e Observatório Carnegie / Ryan Foley
Esta é a aparência da galáxia algumas semanas antes da formação da kilonova (imagem superior). A imagem inferior mostra uma explosão.
A colaboração Dark Energy Camera GW-EM e a colaboração DES / Berger
As imagens podem parecer confusas, mas há uma tonelada de informações sobre elas. Com coordenadas precisas, os cientistas podem ajustar o Telescópio Espacial Hubble e o Observatório de Raios-X Espacial Chandra para explodir uma quilonova. Com a ajuda dessas ferramentas, os astrônomos serão capazes de olhar o processo do universo com um olho.
Como estrelas de nêutrons em colisão criam ouro
Estrelas de nêutrons são corpos cósmicos incomuns. Eles são formados como resultado do colapso gravitacional de estrelas (por exemplo, durante explosões de supernovas) e têm uma densidade muito alta. Imagine um objeto com uma massa como o Sol, mas apenas 25 quilômetros de diâmetro. Isso é 333.000 massas de toda a Terra, comprimidas em uma bola do tamanho do Distrito Central de Moscou. A pressão interna é tão grande que apenas nêutrons (prótons fundidos com elétrons) podem existir lá.
Em uma galáxia a 130 milhões de anos-luz de distância, dois desses objetos "dançavam" em torno um do outro, movendo-se em órbita e ficando cada vez mais perto. Eles colidiram, e a energia liberada através do Universo enviou uma onda que distorce o tempo e o espaço, e um fluxo de partículas (uma explosão de raios gama detectada junto com as ondas gravitacionais). Tanto as ondas gravitacionais quanto os raios gama viajaram à velocidade da luz. Esta é outra prova da teoria geral da relatividade de Albert Einstein. É possível que, após a fusão, as estrelas de nêutrons formem um novo buraco negro, já que tinham massa suficiente. No entanto, ainda não há informações suficientes para uma declaração inequívoca.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Mas uma coisa já pode ser dita com certeza: após a explosão, muitos dos nêutrons restantes se combinaram e formaram elementos químicos.
Todos nós e todos os elementos da Terra somos feitos de estrelas. Como resultado do Big Bang no início dos tempos, elementos muito leves foram formados - hidrogênio e hélio. Esses elementos se combinaram para formar estrelas, dentro das quais, durante as reações de fusão, surgiram elementos com massas cada vez maiores.
Quando as estrelas se tornaram supernovas (colapso e subsequente explosão), elementos ainda mais pesados foram criados. No entanto, de acordo com Brown, o aparecimento de ouro e platina sempre foi um mistério. Mesmo as explosões de supernovas não são poderosas o suficiente para criá-las.
Existem teorias de que uma estrela kilon (formada pela fusão de duas estrelas de nêutrons) é capaz de produzir esses metais. E como os astrônomos foram capazes de determinar em tempo hábil o local onde ocorreu a fusão, eles confirmaram essa teoria. A cor e a qualidade da luz deixada após a explosão confirmaram a formação de ouro e platina. Os cientistas parecem ter visto a alquimia em ação.
“O ouro na Terra já foi criado após uma explosão nuclear de uma fusão [de estrelas de nêutrons]”, explica Brown. - Agora tenho uma aliança de platina no dedo. Basta pensar, ele apareceu devido à colisão de estrelas de nêutrons!"
Uma nova era na astronomia está chegando
A descoberta descrita marca o início de uma nova era na astronomia. Os cientistas poderão estudar os corpos celestes não apenas com a ajuda da luz e da radiação que eles emitem, mas também combinar essas observações com informações obtidas durante a análise das ondas gravitacionais. Essas informações contêm como as duas estrelas de nêutrons se moveram em torno uma da outra quando a colisão ocorreu, bem como um grande corpo de informações sobre suas consequências.
À direita - visualização da substância das estrelas de nêutrons. À esquerda - distorção do espaço-tempo perto de explosões. Karan Janey / Instituto de Tecnologia da Geórgia
A combinação de todas as fontes de informação é chamada de astronomia multicanal, ou seja, astronomia baseada na adição de observações do espectro eletromagnético com observações de ondas gravitacionais. Este tem sido o sonho dos cientistas do LIGO desde a fundação do observatório.
“Imagine viver em um quarto sem janelas e tudo o que você pode fazer é ouvir o trovão, mas não ver os relâmpagos”, explica Vicki Kalogera, astrofísica da Northwestern University e membro da comunidade LIGO. - Agora imagine que você foi movido para uma sala com uma janela. De agora em diante, você não apenas ouve trovões, mas também vê relâmpagos. O raio oferece uma oportunidade completamente nova para estudar tempestades e entender o que realmente está acontecendo."
As ondas gravitacionais são trovões. Observando explosões através de um telescópio - relâmpago.
Há apenas um mês, os três fundadores do LIGO receberam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho pioneiro. Como Ed Young do The Atlantic observou, conceder o prêmio a três entre centenas que fizeram contribuições significativas para o projeto LIGO cria uma situação embaraçosa e controversa. No entanto, resultados recentes mostram que o prêmio pelo trabalho científico foi bem merecido.
A melhor coisa sobre observar ondas gravitacionais é que o processo é passivo. LIGO e VIRGO irão "ouvir" quaisquer ondas gravitacionais que passem pela Terra no mesmo dia. Cada sinal marca o início de uma nova busca por "tesouros", pois os cientistas precisam entender o que criou as flutuações no espaço-tempo.
Os astrônomos esperam ver mais fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons. Mas fenômenos ainda mais interessantes podem ser descobertos. Se os observatórios LIGO e VIRGO continuarem melhorando, há uma chance de que seja possível detectar ondas gravitacionais remanescentes do Big Bang. Ou, o que é mais emocionante, esses observatórios serão capazes de detectar fontes de ondas gravitacionais que antes eram desconhecidas e não podiam prever.
“Fiquei triste por ter nascido depois da primeira aterrissagem tripulada na Lua”, disse Thomas Corbitt, físico e membro da comunidade LIGO da Louisina State University. - Mas quando você se torna testemunha de acontecimentos como esses, que servem como prova do grande sucesso das atividades conjuntas, surge a inspiração. Eles nos dão mais conhecimento sobre o Universo."
O artigo original em inglês está disponível aqui.
