Cerca de 130 milhões de anos atrás, em uma galáxia distante, duas estrelas de nêutrons colidiram. Este evento é agora a quinta observação de ondas gravitacionais pela colaboração do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) e Virgo, e a primeira detectada que não foi causada pela colisão de dois buracos negros.
Mas esse evento - chamado kilonova - também produziu outra coisa: luz, através de vários comprimentos de onda.
Pela primeira vez na história, um fenômeno astronômico foi observado pela primeira vez através de ondas gravitacionais e depois visto com telescópios. Em um esforço incrivelmente colaborativo, mais de 3.500 astrônomos, usando 100 instrumentos em mais de 70 telescópios ao redor do mundo e no espaço, trabalharam com físicos da colaboração LIGO e Virgo.
Os cientistas chamam isso de "astronomia multimessenger".
"Juntas, todas essas observações são maiores que a soma de suas partes", disse Laura Cadonati, vice-porta-voz do LIGO em um briefing hoje. "Agora estamos aprendendo sobre a física do universo, sobre os elementos de que somos feitos, de uma maneira que ninguém jamais fez antes."
"Isso nos dará uma visão de como as explosões de supernova funcionam, como o ouro e outros elementos pesados são criados, como os núcleos do nosso corpo funcionam e até a velocidade com que o universo está se expandindo", disse Manuela Campanelli, do Instituto de Tecnologia de Rochester. “A astronomia do multimessenger demonstra como podemos combinar o caminho antigo com o novo. Isso mudou a maneira como a astronomia é feita. ”
Estrelas de nêutrons são os núcleos esmagados de estrelas massivas que há muito tempo explodiram como supernovas. As duas estrelas, localizadas próximas uma da outra em uma galáxia chamada NGC 4993, começaram entre 8 e 20 vezes a massa do nosso sol. Depois, com suas supernovas, cada uma condensada a cerca de 16 quilômetros de diâmetro, do tamanho de uma cidade. Estas são estrelas compostas inteiramente de nêutrons e estão entre estrelas normais e buracos negros em tamanho e densidade - apenas uma colher de chá de material estelar de nêutrons pesaria 1 bilhão de toneladas.
Eles giraram um ao outro em uma dança cósmica até que sua gravidade mútua os fez colidir. Essa colisão produziu uma bola de fogo de proporções astronômicas e as repercussões desse evento chegaram à Terra 130 milhões de anos depois.
"Embora esse evento tenha ocorrido 130 milhões de anos atrás, só descobrimos isso na Terra em 17 de agosto de 2017, pouco antes do eclipse solar", disse Andy Howell, do Observatório Las Cumbres, em entrevista coletiva hoje. "Mantivemos esse segredo o tempo todo e estamos prestes a estourar!"
Às 8h41, EDT, LIGO e Virgo sentiram os primeiros tremores das ondas do espaço-tempo, ondas gravitacionais. Apenas dois segundos depois, um flash brilhante de raios gama foi detectado pelo telescópio espacial Fermi da NASA. Isso permitiu que os pesquisadores identificassem rapidamente a direção de onde as ondas estavam vindo.
Alertados pelo Telegrama de Astrônomos, milhares de astrônomos de todo o mundo se esforçaram para fazer observações e começar a coletar dados adicionais da fusão de estrelas de nêutrons.
Esta animação mostra como o LIGO, o Virgo e os telescópios espaciais e terrestres se aproximaram da localização das ondas gravitacionais detectadas em 17 de agosto de 2017 por LIGO e Virgo. Combinando dados das missões espaciais Fermi e Integral com dados do LIGO e Virgo, os cientistas foram capazes de limitar a fonte das ondas a uma área do céu de 30 graus quadrados. Os telescópios de luz visível pesquisaram um grande número de galáxias naquela região, revelando que o NGC 4993 é a fonte de ondas gravitacionais. (Este evento foi posteriormente designado como GW170817.)
"Este evento tem a localização do céu mais precisa de todas as ondas gravitacionais detectadas até agora", disse Jo van den Brand, porta-voz da colaboração Virgo, em comunicado. "Essa precisão recorde permitiu aos astrônomos realizar observações de acompanhamento que levaram a uma infinidade de resultados impressionantes".
Isso fornece a primeira evidência real de que a luz e as ondas gravitacionais viajam nas mesmas velocidades - próximas à velocidade da luz - como Einstein previu.
Observatórios dos mais pequenos aos mais conhecidos estavam envolvidos, fazendo observações rapidamente. Embora brilhante no início, o evento desapareceu em menos de 6 dias. Howell disse que a luz observada era 2 milhões de vezes mais brilhante que o Sol ao longo das primeiras horas, mas depois desapareceu por alguns dias.
A Câmera de Energia Escura (DECam), montada no Telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo, nos Andes chilenos, foi um dos instrumentos que ajudaram a localizar a fonte do evento.
“O desafio que enfrentamos toda vez que a colaboração do LIGO emite um novo gatilho de observação é como procuramos uma fonte que está desaparecendo rapidamente, possivelmente estava fraca no início e está localizada em algum lugar por lá”, disse Marcelle Soares-Santos , da Universidade Brandeis no briefing. Ela é a primeira autora do artigo que descreve o sinal óptico associado às ondas gravitacionais. "É o desafio clássico de encontrar uma agulha no palheiro com a complicação adicional de que a agulha está longe e o palheiro está se movendo."
Com o DECam, eles foram capazes de determinar rapidamente a galáxia de origem e descartar 1.500 outros candidatos que estavam presentes naquele palheiro.
"Coisas que se parecem com essas 'agulhas' são muito comuns, por isso precisamos garantir que temos a correta. Hoje, temos certeza de que temos ”, acrescentou Soares-Santos.
No departamento muito pequeno, um pequeno telescópio robótico de 16 polegadas chamado PROMPT (Telescópio Robótico Ótico Panchromático e Telescópio de Polarimetria) - que o astrônomo David Sand, da Universidade do Arizona, descreveu como "basicamente um telescópio amador", também ajudou a determinar a fonte. Sand disse que isso prova que mesmo pequenos telescópios podem desempenhar um papel na astronomia multimessenger.
O conhecido é liderado pelo Hubble e vários outros observatórios espaciais da NASA e da ESA, como as missões Swift, Chandra e Spitzer. O Hubble capturou imagens da galáxia sob luz visível e infravermelha, testemunhando um novo objeto brilhante dentro do NGC 4993 que era mais brilhante que uma nova, mas mais fraco que uma supernova. As imagens mostraram que o objeto desapareceu visivelmente ao longo dos seis dias das observações do Hubble. Usando as capacidades espectroscópicas do Hubble, as equipes também encontraram indicações de material sendo ejetado pelo kilonova tão rápido quanto um quinto da velocidade da luz.
"Isso é um divisor de águas para a astrofísica", disse Howell. "Cem anos depois de Einstein teorizar as ondas gravitacionais, nós as vimos e as rastreamos de volta à sua fonte para encontrar uma explosão com a nova física do tipo com o qual só sonhamos antes".
Aqui estão apenas algumas idéias que esse evento único criou, usando a astronomia multimessenger:
* Raios gama: Esses flashes de luz agora estão definitivamente associados à fusão de estrelas de nêutrons e ajudarão os cientistas a descobrir como as explosões de supernova funcionam, explicou Richard O'Shaughnessy, também do Instituto de Tecnologia de Rochester e membro da equipe do LIGO. "As medições iniciais de raios gama, combinadas com a detecção de ondas gravitacionais, confirmam ainda mais a teoria geral da relatividade de Einstein, que prevê que as ondas gravitacionais devem viajar na velocidade da luz", disse ele.
* A fonte de ouro e platina: "Essas observações revelam as impressões digitais diretas dos elementos mais pesados da tabela periódica", disse Edo Berger, do Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, falando no briefing. “A colisão das duas estrelas de nêutrons produziu 10 vezes a massa da Terra apenas em ouro e platina. Pense em como esses materiais voam para fora deste evento, eles eventualmente se combinam com outros elementos para formar estrelas, planetas, vida ... e jóias. ”
Berger acrescentou algo mais para pensar: as explosões originais de supernova dessas estrelas produziram todos os elementos pesados, como ferro e níquel. Então, no kilonova neste sistema único, podemos ver a história completa de como a tabela periodocial dos elementos pesados surgiu.
Howell disse que quando você divide as assinaturas dos elementos pesados em um espectro, cria um arco-íris. "Então havia realmente um pote de ouro no fim do arco-íris, pelo menos um arco-íris kilonova", brincou.
* Astronomia física nuclear: "Eventualmente, mais observações como essa descoberta nos dirão como os núcleos do nosso corpo funcionam", disse O'Shaughnessy. “Os efeitos da gravidade nas estrelas de nêutrons nos dirão como se comportam as grandes bolas de nêutrons e, por inferência, pequenas bolas de nêutrons e prótons - o material dentro do nosso corpo que compõe a maior parte da nossa massa”; e
* Cosmologia: - "Os cientistas agora podem medir independentemente a rapidez com que o universo está se expandindo comparando a distância da galáxia que contém o brilho brilhante da luz e a distância inferida pela observação das ondas gravitacionais", disse O'Shaughnessy.
"A capacidade de estudar o mesmo evento com ondas gravitacionais e luz é uma verdadeira revolução na astronomia", disse o astrônomo Tony Piro, da CfA. "Agora podemos estudar o universo com sondas completamente diferentes, que ensinam coisas que nunca poderíamos saber com apenas uma ou outra."
"Para mim, o que tornou esse evento tão surpreendente é que não apenas detectamos ondas gravitacionais, mas também vimos luz através do espectro eletromagnético, visto por 70 observatórios ao redor do mundo", disse David Reitz, porta-voz científico do LIGO, na imprensa de hoje. instruções. “É a primeira vez que o cosmos nos fornece o equivalente a filmes com som. O vídeo é a astronomia observacional em vários comprimentos de onda e o som são ondas gravitacionais. ”
Fontes: Observatório Las Cumbres, Telescópio Espacial Hubble, Instituto de Tecnologia de Rochester, Kilonova.org, CfA, coletiva de imprensa.
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