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Entenda o que descobrimos com a monumental fusão de estrelas de nêutrons
A astronomia entrou em uma nova era, uma em que a luz e a gravidade exercem um importante papel no entendimento do mais doido fenômeno do nosso universo. Em 17 de agosto de 2017, mais de 70 laboratórios do mundo (e fora dele), incluindo alguns como o LIGO e o telescópio espacial Hubble, avistaram um […]
A astronomia entrou em uma nova era, uma em que a luz e a gravidade exercem um importante papel no entendimento do mais doido fenômeno do nosso universo. Em 17 de agosto de 2017, mais de 70 laboratórios do mundo (e fora dele), incluindo alguns como o LIGO e o telescópio espacial Hubble, avistaram um flash de luz. Essa luz veio em diversos temperos, e consistia em um par de densas estrelas de nêutrons que se fundiram em uma explosão cataclísmica chamada "kilonova".
Com este monte de telescópios, um monte de dados diferentes foi gerado – e temos muita coisa a se aprender. Você está provavelmente familiarizado com o fato que a luz viaja como uma onda de radiação, e sua cor é determinada pela distancia entre o pico ou o comprimento de onda. A distância de picos da corda azul é por volta de 450 nanômetros, e por volta de 700 nanômetros para a cor vermelha. Mas também existem ondas de comprimento muito menores e maiores. Raios-X tem muito mais ondas em um mesmo espaço, com comprimentos de onda de mais ou menos um nanômetro, enquanto os raios gama tem comprimentos de onda de aproximadamente 0,001 nanômetros. Ondas de rádio são mais difundidas, com talvez um milímetro entre os picos.
A adição de gravidade para o espectro da luz é o que fez do evento de 17 de agosto especial – cientistas estavam com mais do que apenas observações visíveis de radiação eletromagnética. Agora, eles poderiam entender as massas e a maneira como essas massas alteram o tecido do espaço quando interagem. Mas cada comprimento de onda diferente preenche uma parte distinta do entendimento completo, como se fosse mais um ingrediente em uma receita. Adicionar gravidade dá a isso o contexto – como as instruções para cozinhar um prato.
Imagem: Fermi Gamma-ray Telescope
Explosões de raios gama deram início a este problema. Cientistas sabem dos estranhos flashes de raios gama nos céus desde a metade dos anos 1960, e sabem também que eles devem ser resultantes da mais energética explosão no universo. O telescópio espacial de raios gama Fermi avista estas explosões 240 vezes ao ano. Elas se agrupam em gráficos como curtas (menos de dois segundos de duração) ou longas (mais de dois segundos de duração). Elas sinalizam cientistas que algo está acontecendo, e o que quer que estejam fazendo, estão transformando partículas em energias imensas. De alguma forma, algum evento precisaria ter criado uma enorme quantidade de energia em um pequeno espaço e em um curto período de tempo.
As explosões de raios gama identificadas pelo Fermi em 17 de agosto, chamada de GRB 1708117A, eram rotineiras, de acordo com um artigo publicado. O entusiasmo veio um pouco depois quando os cientistas ouviram que outros raios gamas estavam envolvidos.
Imagem: LIGO
Antes do LIGO, cientistas conseguiam ver estas explosões de raios gama, mas não tinham certeza o que elas eram e a qual distância aconteciam. "Suspeitávamos, primeiramente, que estas curtas explosões de raios gama viessem da fusão de estrelas nêutrons, mas não podíamos confirmar", explicou Imre Bartos, da Universidade da Flórida. Foram as ondas gravitacionais detectadas pelo detector LIGO, no estado de Washington, dois segundos antes da explosão de raios gama em 17 de agosto que causou a comoção de todos os outros telescópios quando eles reportaram mais tarde naquele mesmo dia. Eles chamaram este evento de GW 170817.
Identificar ondas gravitacionais permitiu aos pesquisadores decodificar especificações da colisão e determinar a distância em que ela ocorreu. A observação inicial consistiu em uma pequena ondulação de dois minutos do tecido espacial, que sofreu um aumento de frequência antes de parar. A análise matemática revelou que isso muito provavelmente seria produzido por dois objetos colidindo ou em fusão, ambos pesando entre uma ou duas vezes a massa do Sol e localizado a 130 milhões de anos luz.
Saber a distância também permitiu aos cientistas fazer um novo cálculo para explicar quão rápido o universo está expandido. Também mostrou que as explosões de raios rama, que cientistas acreditavam acontecer a uma distância muito grande, na verdade, aconteciam muito mais perto do que se imaginava. "Isso diz que o que achávamos saber sobre as pequenas explosões de raios gama talvez não explique a história por completo", explicou Julie McEnery, do telescópio de raios gama Ferni. Este evento em específico foi mais fraco do que cientistas esperariam de uma explosão a esta distância, significando que os raios gama provavelmente explodiram de um local que não estava diretamente apontado para nós.
Raios-X e ondas de rádio
Raios-X aparecendo dias depois (Imagem: Chandra X-ray Telescope)
Raios-X eram um fator importante porque, bem, cientistas não viram nenhum exemplo deles a princípio. O telescópio de raio-X Chandra não identificou nenhum exemplo de raio-X resultante de estrelas nêutrons em colisão até 26 de agosto. Isso foi uma evidência a suposição acima, que a explosão de raio gama não apontava diretamente para a Terra. Se apontasse, teríamos visto raios-X junto dos raios gama imediatamente. Em vez disso, estes raios-X apareceram depois que o jato inicial de partículas desacelerou e se espalhou, de acordo com um comunicado à imprensa.
Ondas de rádio também se espalharam – cientistas primeiramente reportaram as ondas de rádio em 2 de setembro. Mas quando observaram os modelos matemáticos, estas observações também foram explicadas pela criação de radiação da fusão das estrelas que não apontava diretamente para a Terra.
Ultravioleta, óptica, infravermelho próximo
Uma das ciências mais malucas da fusão de estrelas de nêutrons ocorreu ao desconstruir a luz que vemos pelos nossos olhos, além da luz um pouco além dos comprimentos de onda, como o infravermelho e ultravioleta. A Dark Energy Camera avistou uma nova fonte que não era presente antes, localizada no mesmo lugar que os raios gama e as ondas gravitacionais. A luz óptica era diferente de outras fontes de luz temporárias que cientistas já observaram, de acordo com um artigo divulgado. A fonte brilhou em um dia e então diminuiu rapidamente, se tornando azul e depois vermelha. Ela não apresentava nenhuma das características de luz associadas a uma supernova.
Imagem: M. Soares-Santos, D. E. Holz, J. Annis, et al., ApJ (2017)
Combinando luz ultravioleta com a luz óptica, uma equipe de cientistas determinou que a kilonova iniciou azul antes de rapidamente se ruborizar, ejetando material azul 0,03 vezes o tamanho da massa do sol e a velocidades 0,3 vezes a velocidade da luz. Estes dados seriam explicados de maneira melhor pelas estrelas de nêutrons menores de 12 km de diâmetro (o que é aproximadamente a área de Omaha, em Nebraska) explodindo um monte de elementos mais pesados que o metal mas com massa atômica menor que 140. O que significa que elementos mais pesados que ainda são mais leves que cério e lantânio, como a prata.
Adicionar as observações de raios infravermelhos a essa mistura faz a história ficar ainda mais complexa – um jato lento contendo material vermelho 0,04 vezes a massa do sol e a velocidades a cerca de 0,1 vezes a velocidade da luz. Este segundo jato foi consistente entre os modelos dos cientistas, implicando que as estrelas deixaram para traz elementos mais pesados que o lantânio.
"Houve um mistério de elementos como o ouro, a platina e o urânio", explicou Edo Berger, um astrofísico da Universidade Harvard. "A origem não era conhecida… o infravermelho e a luz visível, quando olhados do espectro, apenas mostram digitais destes elementos sendo formados. É incrível".
Diversos telescópios analisam apenas um tipo de luz, nos mostrando algo muito específico ou misterioso sobre o universo. Mas a descoberta desta semana mostra que combinando todos estes elementos o nosso entendimento é redefinido.