Detectado um notável sinal de ondas gravitacionais

Em maio de 2023, pouco depois do início da quarta série de observações LIGO-Virgo-KAGRA, o detetor LIGO em Livingston observou um sinal de ondas gravitacionais resultante da colisão do que é muito provavelmente uma estrela de nêutrons com um objeto compacto que tem 2,5 a 4,5 vezes a massa do nosso Sol.

© K. Gill (ilustração de uma estrela de nêutrons)

As estrelas de nêutrons e os buracos negros são ambos objetos compactos, os remanescentes densos de explosões estelares massivas. O que torna este sinal, chamado GW230529, intrigante é a massa do objeto mais pesado. Está dentro de um possível intervalo de massa entre as estrelas de nêutrons mais pesadas conhecidas e os buracos negros mais leves. 

O sinal de ondas gravitacionais, por si só, não pode revelar a natureza deste objeto. Futuras detecções de eventos semelhantes, especialmente os acompanhados por explosões de radiação eletromagnética, poderão ser a chave para resolver este mistério cósmico.

Existe uma lacuna de massa entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros.  Antes da detecção de ondas gravitacionais em 2015, as massas dos buracos negros de massa estelar eram determinadas principalmente através de observações de raios X, enquanto as massas das estrelas de nêutrons eram determinadas através de observações de rádio. 

As medições resultantes dividiam-se em dois intervalos distintos, com uma diferença entre eles de cerca de 2 a 5 vezes a massa do nosso Sol. Ao longo dos anos, um pequeno número de medições tem-se aproximado deste intervalo de massa, que continua a ser altamente debatido entre os astrofísicos. A análise do sinal GW230529 mostra que este provém da fusão de dois objetos compactos, um com uma massa entre 1,2 e 2,0 vezes a do nosso Sol e o outro com um pouco mais do dobro da massa. 

Embora o sinal das ondas gravitacionais não forneça informação suficiente para determinar com certeza se estes objetos compactos são estrelas de nêutrons ou buracos negros, parece provável que o objeto mais leve seja uma estrela de nêutrons e o objeto mais massivo um buraco negro. 

Os cientistas da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA estão confiantes de que o objeto mais massivo está dentro da lacuna de massa. As observações de ondas gravitacionais já forneceram quase 200 medições das massas de objetos compactos. Destas, apenas uma outra fusão pode ter envolvido um objeto compacto na lacuna de massa, o sinal GW190814 veio da fusão de um buraco negro com um objeto compacto que excede a massa das estrelas de nêutrons mais pesadas conhecidas e está, possivelmente, dentro deste intervalo de massa. A observação deste sistema tem implicações importantes tanto para as teorias da evolução dos binários como para os homólogos eletromagnéticos das fusões de objetos compactos. 

A terceira série de observações dos detectores de ondas gravitacionais, muito bem-sucedida, terminou na primavera de 2020, elevando para 90 o número de detecções de ondas gravitacionais conhecidas. Antes do início da quarta série de observação, O4, em 24 de maio de 2023, os pesquisadores do LIGO-Virgo-KAGRA introduziram melhorias nos detectores, na infraestrutura e no software de análise que lhes permitem detectar sinais de mais longe e extrair mais informações sobre os eventos extremos em que as ondas são geradas. 

No dia 29 de maio de 2023, o sinal de ondas gravitacionais GW230529 passou pelo detector LIGO em Livingston. Em poucos minutos, os dados do detector foram analisados e foi emitido um alerta (designado S230529ay) anunciando publicamente o sinal. Os astrônomos que receberam o alerta foram informados de que uma estrela de nêutrons e um buraco negro se fundiram muito provavelmente a cerca de 650 milhões de anos-luz da Terra. Infelizmente, a direção da fonte não pôde ser determinada porque apenas um detector de ondas gravitacionais estava observando no momento do sinal. 

A quarta série de observações está planejada para durar 20 meses, incluindo uma pausa de dois meses para realizar a manutenção dos detectores e para fazer uma série de melhorias necessárias. Até 16 de janeiro de 2024, quando começou a pausa de comissionamento, tinham sido identificados um total de 81 candidatos a sinais significativos. GW230529 é o primeiro destes a ser publicado após uma investigação pormenorizada. A quarta série de observações foi retomada no passado dia 10 de abril de 2024 com os detectores LIGO em Hanford, LIGO em Livingston e Virgo funcionando em conjunto. A série continuará até fevereiro de 2025, cujo número total de sinais de ondas gravitacionais observados deverá ultrapassar os 200.

Fonte: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Encontradas evidências do fundo estocástico de ondas gravitacionais

Astrofísicos, utilizando grandes radiotelescópios com o objetivo de observar uma coleção de "relógios" cósmicos na nossa Galáxia, encontraram evidências da existência de ondas gravitacionais que oscilam com períodos de anos a décadas.

© NANOGrav (ondulações gravitacionais produzidas por um binário de buraco negro)

O sinal das ondas gravitacionais foi observado em 15 anos de dados obtidos pelo PFC (Physics Frontiers Center) do NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), uma colaboração de mais de 190 cientistas dos EUA e do Canadá que utilizam pulsares para procurar ondas gravitacionais. As colaborações internacionais que utilizam telescópios na Europa, Índia, Austrália e China registaram resultados semelhantes de forma independente. 

Embora resultados anteriores do NANOGrav tenham revelado um sinal temporal enigmático comum a todos os pulsares observados, era demasiado tênue para revelar a sua origem. A publicação dos dados de 15 anos demonstra que o sinal é consistente com ondas gravitacionais ondulantes que passam lentamente pela Via Láctea. Esta é uma evidência fundamental da existência de ondas gravitacionais com frequências muito baixas. Ao contrário das fugazes ondas gravitacionais de alta frequência observadas por instrumentos terrestres como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), este sinal contínuo de baixa frequência só poderia ser percebido com um detector muito maior do que a Terra. 

Para responder a esta necessidade, os astrônomos transformaram o nosso sector da Via Láctea numa enorme antena de ondas gravitacionais, recorrendo a estrelas exóticas chamadas pulsares. O esforço de 15 anos do NANOGrav recolheu dados de 68 pulsares para formar um tipo de detector chamado PTA (Pulsar Timing Array). 

Os pulsares são remanescentes ultradensos do núcleo de uma estrela massiva após a sua morte numa explosão de supernova. Os pulsares giram rapidamente e emitem feixes de ondas de rádio através do espaço, de modo a parecerem "pulsar" quando vistos da Terra. Os objetos mais rápidos, chamados pulsares de milissegundo, giram centenas de vezes por segundo. Os seus pulsos são muito estáveis, o que os torna úteis como relógios cósmicos precisos. 

Ao longo de 15 anos de observações com o Observatório de Arecibo, em Porto Rico, com o GBT (Green Bank Telescope), em Virgínia Ocidental, EUA, e com o VLA (Very Large Array), no Novo México, EUA, o NANOGrav veio aumentando gradualmente o número de pulsares que observa.

A teoria da relatividade geral de Einstein prevê com precisão a forma como as ondas gravitacionais devem afetar os sinais dos pulsares. Ao esticar e comprimir o tecido do espaço, as ondas gravitacionais afetam o tempo de cada pulso de uma forma pequena, mas previsível, atrasando alguns e adiantando outros. Estes desvios estão correlacionados para todos os pares de pulsares de uma forma que depende da distância a que as duas estrelas de nêutrons aparecem no céu.

Em 2004, um pequeno grupo de astrônomos obteve o primeiro conjunto de observações de pulsares que viria a constituir a base deste trabalho. Em 2020, com pouco mais de doze anos de dados, os cientistas do NANOGrav começaram a ver indícios de um sinal, um "zumbido" extra que era comum ao comportamento temporal de todos os pulsares na matriz e que a cuidadosa consideração de possíveis explicações alternativas não conseguiu eliminar. A colaboração sentiu-se confiante de que este sinal era real e que se tornava mais fácil de detectar à medida que mais observações eram incluídas. Mas era ainda demasiado tênue para mostrar a assinatura de ondas gravitacionais prevista pela relatividade geral. 

Agora, estão mostrando as primeiras evidências da presença de ondas gravitacionais, com períodos de anos a décadas. O próximo passo é utilizar as nossas observações para estudar as fontes que produzem este zumbido. Uma possibilidade é que o sinal provenha de pares de buracos negros supermassivos, com massas milhões ou bilhões de vezes superiores à do nosso Sol. À medida que estes gigantescos buracos negros se orbitam, produzem ondas gravitacionais de baixa frequência. Pensa-se que os buracos negros supermassivos residem nos centros das maiores galáxias do Universo. Quando duas galáxias se fundem, os buracos negros de cada uma acabam por se colapsar para o centro, orbitando-se mutuamente como um sistema binário muito depois da fusão inicial das galáxias. Eventualmente, os dois buracos negros fundem-se. 

Entretanto, a sua lenta espiral estica e comprime o tecido do espaço-tempo, gerando ondas gravitacionais que se propagam para longe da galáxia de origem como ondulações num lago, acabando por chegar à nossa. Espera-se que os sinais de ondas gravitacionais destes binários gigantescos se sobreponham, como vozes numa multidão ou instrumentos numa orquestra, produzindo um zumbido geral de fundo que imprime um padrão único nos dados temporais dos pulsares. Este padrão é o que os cientistas do NANOGrav procuram há quase 20 anos. 

O NANOGrav demonstra a evidência deste fundo de ondas gravitacionais. A análise detalhada do zumbido de fundo já está fornecendo informações sobre a forma como os buracos negros supermassivos crescem e se fundem. Tendo em conta a força do sinal que o NANOGrav detecta, a população de buracos negros binários extremamente massivos no Universo deve ser de centenas de milhares, talvez mesmo milhões.

A investigação futura deste sinal contribuirá para que os cientistas compreendam como o Universo evoluiu às maiores escalas, fornecendo informações sobre a frequência com que as galáxias colidem e o que leva os buracos negros a fundirem-se. Além disso, as ondulações gravitacionais do próprio Big Bang podem constituir uma fração do sinal, fornecendo uma visão sobre a formação do próprio Universo. Estes resultados têm até implicações em escalas menores, colocando limites no tipo de partículas exóticas que podem existir no nosso Universo. 

Um conjunto de artigos foram publicados no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: NANOGrav

Olhando para dentro de uma estrela de nêutrons

As oscilações nas estrelas de nêutrons binárias, antes de se fundirem, podem ter grandes implicações para as informações que os cientistas recolhem a partir da detecção de ondas gravitacionais.

© NASA (ilustração da fusão de duas estrelas de nêutrons)

Pesquisadores da Universidade de Birmingham demonstraram a forma como estas vibrações únicas, provocadas pelas interações entre os campos de maré das duas estrelas à medida que se aproximam, afetam as observações das ondas gravitacionais. 

A tomada em consideração destes movimentos poderá fazer uma enorme diferença na nossa compreensão dos dados obtidos pelos instrumentos Advanced LIGO e Virgo, construídos para detectar ondas gravitacionais produzidas pela fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons. Os pesquisadores pretendem ter um novo modelo pronto para a próxima campanha de observação do Advanced Ligo e modelos ainda mais avançados para a próxima geração de instrumentos do Advanced Ligo, chamada A+, que deverão começar a sua primeira campanha de observação em 2025. 

Desde que as primeiras ondas gravitacionais foram detectadas pela Colaboração Científica LIGO e pela Colaboração Virgo em 2016, os cientistas têm-se concentrado em fazer avançar a sua compreensão das colisões massivas que produzem estes sinais, incluindo a física de uma estrela de nêutrons a densidades supra nucleares. 

Os cientistas conseguem agora obter muitas informações cruciais sobre as estrelas de nêutrons a partir das últimas detecções de ondas gravitacionais. Detalhes como a relação entre a massa da estrela e o seu raio, por exemplo, fornecem uma visão crucial da física fundamental por detrás das destas estrelas. Se estes efeitos adicionais forem negligenciados, a compreensão da estrutura das estrelas de nêutrons como um todo pode tornar-se profundamente enviesada. 

Estes aperfeiçoamentos são realmente importantes. Dentro de estrelas de nêutrons individuais podemos começar a compreender o que se passa no interior do núcleo da estrela, onde a matéria existe a temperaturas e densidades que não podemos replicar em experiências laboratoriais. A este ponto, podemos começar a ver átomos interagindo uns com os outros de formas que ainda não vimos, o que pode exigir novas leis da física. 

Os aperfeiçoamentos concebidos pela equipe representam a última contribuição da Universidade de Birmingham para o programa Advanced LIGO. Os pesquisadores têm estado profundamente envolvidos na concepção e desenvolvimento dos detectores desde as primeiras fases do programa.

O estudo foi publicado num artigo do periódico Physical Review Letters. 

Fonte: University of Birmingham

A mais massiva fonte de ondas gravitacionais até agora

Uma fusão de um buraco negro binário provavelmente produziu ondas gravitacionais iguais à energia de oito sóis.

© Mark Myers/OzGrav (ilustração de dois buracos prestes a se colidirem)

Apesar de todo este vasto vazio, o Universo está repleto de atividade na forma de ondas gravitacionais. Produzidas por fenômenos astrofísicos extremos, estas reverberações ondulam e sacodem o tecido do espaço-tempo, como o toque de um sino cósmico.

Agora, os pesquisadores detectaram um sinal do que pode ser a fusão de buracos negros mais massiva já observada em ondas gravitacionais. O resultado desta fusão é a primeira detecção clara de um buraco negro de "massa intermediária", com uma massa entre 100 e 1.000 vezes a do Sol. 

O sinal, rotulado de GW190521 e ocorrido no dia 21 de maio de 2019, foi detectado com o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), um par de interferômetros idênticos com 4 km de comprimento situados nos EUA; e com o Virgo, um detector de 3 quilômetros de comprimento na Itália. 

O sinal é extremamente breve, durando menos de um-décimo de segundo. GW190521 foi gerado por uma fonte que está a cerca de 5 gigaparsecs de distância, quando o Universo tinha cerca de metade da sua idade, tornando-o uma das fontes de ondas gravitacionais mais distantes detectadas até agora.

Quanto ao que produziu este sinal, com base num poderoso conjunto de ferramentas computacionais e de modelagem de última geração, os cientistas pensam que GW190521 foi provavelmente gerado por uma fusão entre dois buracos negros com propriedades incomuns.

Quase todos os sinais de ondas gravitacionais confirmados até agora foram provenientes de uma fusão binária, ou entre dois buracos negros ou duas estrelas de nêutrons. Esta fusão mais recente parece ser a mais massiva até agora, envolvendo dois buracos negros com massas de aproximadamente 85 e 66 vezes a massa do Sol.

A equipe do LIGO-Virgo também mediu a rotação de cada buraco negro e descobriu que, à medida que os buracos negros orbitavam cada vez mais próximos um do outro, podiam também estar girando sob os seus próprios eixos, em ângulos que estavam fora de alinhamento com o eixo da sua órbita. As rotações desalinhadas dos buracos negros provavelmente provocaram a oscilação das suas órbitas, ou "precessão", à medida que os dois objetos espiralavam um em direção ao outro.

O novo sinal provavelmente representa o instante em que os dois buracos negros se fundiram. A fusão criou um buraco negro ainda mais massivo, com cerca de 142 massas solares, e liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a cerca de 8 massas solares, espalhada por todo o Universo na forma de ondas gravitacionais.

As massas excepcionalmente grandes dos dois buracos negros, bem como o buraco negro final, levantam uma série de questões sobre a sua formação. 

Todos os buracos negros observados até ao momento enquadram-se numa de duas categorias: buracos negros de massa estelar, que têm desde algumas massas solares até dezenas de massas solares e pensa-se serem formados quando estrelas massivas morrem; ou buracos negros supermassivos, como aquele no centro da Via Láctea, que variam de centenas de milhares a bilhões de vezes a massa do nosso Sol.

No entanto, o buraco negro final de 142 massas solares produzido pela fusão GW190521 está dentro de uma faixa de massa intermediária entre os buracos negros de massa estelar e os supermassivos, o primeiro do seu tipo já detectado.

Os dois buracos negros progenitores que produziram o buraco negro final também parecem ser únicos no seu tamanho. São tão massivos que os cientistas suspeitam que um ou ambos podem não ter sido formados a partir do colapso de uma estrela, como acontece com a maioria dos buracos negros de massa estelar.

De acordo com a física da evolução estelar, a pressão externa dos fótons e do gás no núcleo de uma estrela suporta-o contra a força da gravidade que o empurra para dentro, de modo que a estrela é estável, como o Sol. Depois do núcleo de uma estrela massiva fundir elementos pesados como o ferro, já não consegue mais produzir pressão suficiente para sustentar as camadas externas. Quando esta pressão externa é menor do que a da gravidade, a estrela colapsa sob o seu próprio peso, numa explosão chamada supernova de colapso do núcleo, que pode deixar para trás um buraco negro.

Este processo pode explicar como estrelas com 130 vezes a massa do Sol podem produzir buracos negros com até 65 massas solares. Mas para estrelas mais massivas, pensa-se que tenha início um fenômeno conhecido como "instabilidade de par". 

Quando os fótons do núcleo se tornam extremamente energéticos, podem transformar-se em pares de elétrons e antielétrons. Estes pares geram menos pressão do que os fótons, fazendo com que a estrela se torne instável contra o colapso gravitacional, e a explosão resultante é forte o suficiente para não deixar nada para trás. Estrelas ainda mais massivas, acima das 200 massas solares, acabariam por colapsar diretamente num buraco negro com pelo menos 120 massas solares. Uma estrela em colapso, portanto, não deve ser capaz de produzir um buraco negro entre 65 e 120 massas solares, uma faixa que é conhecida como "intervalo de massa de instabilidade de par." 

Mas agora, o mais pesado dos dois buracos negros que produziu o sinal GW190521, com 85 vezes a massa do Sol, é o primeiro até agora detectado dentro do intervalo de massa de instabilidade de par. 

Uma possibilidade, que os pesquisadores consideram no seu segundo artigo, é a de uma fusão hierárquica, em que os próprios dois buracos negros progenitores podem ter-se formado a partir da fusão de dois buracos negros menores, antes de migrarem juntos e eventualmente se fundirem. 

Permanecem muitas perguntas no que toca a GW190521. 

Ao mesmo tempo que os detectores LIGO e Virgo escutam as ondas gravitacionais passando pela Terra, buscas automatizadas vasculham os novos dados à procura de sinais interessantes. Estas pesquisas podem usar dois métodos diferentes: algoritmos que identificam padrões de onda específicos nos dados que podem ter sido produzidos por sistemas binários compactos; e pesquisas de "surtos" mais gerais, que procuram essencialmente algo fora do comum.

No caso de GW190521, foi uma pesquisa em rajada que captou o sinal um pouco mais claramente, abrindo a chance muito pequena de que as ondas gravitacionais surgissem de algo que não uma fusão binária. 

Mas e se algo inteiramente novo tivesse produzido estas ondas gravitacionais? 

É uma perspetiva tentadora, e no seu artigo os cientistas consideram brevemente outras fontes no Universo que podem ter produzido o sinal que detectaram. Por exemplo, talvez as ondas gravitacionais tenham sido emitidas por uma estrela em colapso na nossa Galáxia. O sinal também pode ser de uma cadeia cósmica produzida logo após o Universo "inchar" nos primeiros momentos, embora nenhuma destas possibilidades exóticas corresponda aos dados tão bem quanto uma fusão binária. 

O fenômeno foi relatado em dois artigos publicados esta semana. Um, publicado na revista Physical Review Letters, detalha a descoberta, e o outro, na The Astrophysical Journal Letters, discute as propriedades físicas do sinal e as implicações astrofísicas.

Fonte: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Rede LIGO-Virgo detecta outra colisão de estrelas de nêutrons

No dia 25 de abril de 2019, o Observatório LIGO captou o que pareciam ser ondulações gravitacionais de uma colisão de duas estrelas de nêutrons.

© LIGO/A. Simonnet (ilustração da colisão de duas estrelas nêutrons)

O LIGO faz parte de uma rede que inclui o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e o detector europeu Virgo. Agora, um novo estudo confirma que este evento foi provavelmente o resultado de uma fusão de duas estrelas de nêutrons. Esta seria apenas a segunda vez que este tipo de evento foi observado em ondas gravitacionais.

A primeira observação deste tipo, realizada em agosto de 2017, fez história por ser a primeira vez que tanto ondas gravitacionais como luz foram detectadas a partir do mesmo evento cósmico. A fusão de 25 de abril, por outro lado, não resultou na detecção de qualquer luz. No entanto, através de uma análise apenas dos dados das ondas gravitacionais, foi descoberto que a colisão produziu um objeto com uma massa incomumente alta.

A partir de observações convencionais com luz, já são conhecidos 17 sistemas binários de estrelas de nêutrons na Via Láctea, sendo possível estimar as massas destas estrelas.

As estrelas de nêutrons são os remanescentes de estrelas moribundas que sofrem explosões catastróficas à medida que entram em colapso no final das suas vidas. Quando duas estrelas de nêutrons espiralam uma em direção à outra, sofrem uma fusão violenta que expele ondulações gravitacionais através do tecido do espaço e do tempo.

O LIGO tornou-se o primeiro observatório a detectar diretamente ondas gravitacionais em 2015; nesse caso, as ondas foram geradas pela feroz colisão de dois buracos negros. Desde então, o LIGO e o Virgo detectaram dúzias de candidatos a fusões de buracos negros.

A fusão de estrelas de nêutrons de agosto de 2017 foi captada pelos dois detectores LIGO, um em Livingston, no estado norte-americano de Louisiana, e o outro em Hanford, Washington, juntamente com uma série de telescópios espalhados por todo o mundo (as colisões de estrelas de nêutrons produzem luz e pensa-se que as colisões de buracos negros não). Esta fusão não foi visível claramente nos dados do Virgo, mas esse fato forneceu informações importantes que finalmente identificaram a localização do evento no céu.

O evento de abril de 2019 foi identificado pela primeira vez em dados apenas do detector LIGO Livingston. O detetor LIGO Hanford estava no momento temporariamente offline e, a uma distância de mais de 500 milhões de anos-luz, o evento era fraco demais para ser detectável nos dados do Virgo. Usando os dados de Livingston, combinados com informações derivadas dos dados do Virgo, a equipe reduziu a localização do evento para uma região do céu com mais de 8.200 graus quadrados em tamanho, ou cerca de 20% do céu. Em comparação, o evento de agosto de 2017 foi reduzido a uma região de apenas 16 graus quadrados, ou 0,04% do céu.

Os dados do LIGO revelam que a massa combinada dos corpos fundidos é de aproximadamente 3,4 vezes a massa do nosso Sol. Na Via Láctea, os sistemas binários de estrelas de nêutrons conhecidos combinam massas até 2,9 vezes a do Sol. Uma possibilidade para a massa extraordinariamente alta é que a colisão ocorreu não entre duas estrelas de nêutrons, mas entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro, já que os buracos negros são mais massivos que as estrelas de nêutrons. Mas se fosse esse o caso, o buraco negro teria que ser excepcionalmente pequeno para a sua classe. Ao invés, os cientistas pensam que é muito mais provável que o LIGO tenha testemunhado a destruição de duas estrelas de nêutrons.

Pensa-se que os pares de estrelas de nêutrons se formem de duas maneiras possíveis. Podem formar-se a partir de sistemas binários de estrelas massivas que terminam as suas vidas como estrelas de nêutrons, ou podem surgir quando duas estrelas de nêutrons formadas separadamente se agrupam num ambiente estelar denso. Os dados do LIGO para o evento de 25 abril não indicam qual dos cenários é o mais provável, mas sugerem que são necessários mais dados e novos modelos para explicar a massa inesperadamente alta da fusão.

Os resultados foram apresentados no passado dia 6 de janeiro na 235.ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Honolulu, Havaí. O estudo foi submetido à revista The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: California Institute of Technology

Descobrindo exoplanetas com ondas gravitacionais

Pesquisadores do Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) na Alemanha, e da Comissão de Energias Alternativas e Energia Atômica em Paris, sugerem como o futuro observatório espacial de ondas gravitacionais LISA poderá detectar exoplanetas em órbita de anãs brancas binárias em toda a nossa Via Láctea e nas vizinhas Nuvens de Magalhães.

© Simonluca Definis (ilustração de ondas gravitacionais produzidas por um sistema binário)

Este novo método irá superar certas limitações das técnicas atuais de detecção eletromagnética e poderá permitir que o LISA detecte planetas com massas iguais ou superiores a 50 vezes a da Terra.

Nas últimas duas décadas, o nosso conhecimento sobre exoplanetas cresceu significativamente e já foram descobertos mais de 4.000 planetas em órbita de uma grande variedade de estrelas. Até agora, as técnicas usadas para encontrar e caracterizar estes sistemas têm por base a radiação eletromagnética e estão limitadas à vizinhança solar e a algumas partes da nossa Galáxia.

O Dr. Nicola Tamanini, pesquisador do Instituto Albert Einstein e a sua colega, a Dra. Camilla Danielski, pesquisadora da Comissão de Energias Alternativas e Energia Atômica, mostram como estas limitações podem ser ultrapassadas pela astronomia de ondas gravitacionais. As anãs brancas são remanescentes muito antigos e pequenos de estrelas uma vez semelhantes ao nosso Sol. "O LISA medirá ondas gravitacionais de milhares de anãs brancas binárias. Quando um planeta orbita um par de anãs brancas, o padrão observado de onda gravitacional será diferente do de um binário sem planetas. Esta mudança característica nas formas das ondas gravitacionais nos permitirá descobrir exoplanetas."

O novo método explora a modulação do desvio Doppler do sinal de onda gravitacional provocado pela atração gravitacional do planeta sob o par de anãs brancas. Esta técnica é análoga à do método de velocidade radial, uma técnica bem conhecida usada para encontrar exoplanetas com telescópios eletromagnéticos. No entanto, a vantagem das ondas gravitacionais é que não são afetadas pela atividade estelar, o que pode dificultar as descobertas eletromagnéticas.

Os pesquisadores mostram que a próxima missão da ESA, LISA (Laser Interferometer Space Antenna), com lançamento previsto para 2034, pode detectar exoplanetas com a massa de Júpiter em torno de anãs brancas binárias em toda a nossa Galáxia, superando as limitações de distância dos telescópios eletromagnéticos. Além disso, salientam que o LISA terá o potencial de também detectar estes exoplanetas em galáxias vizinhas, possivelmente levando à descoberta do primeiro exoplaneta extragaláctico.

"O LISA vai ter como alvo uma população exoplanetária ainda completamente desprovida de resultados," explica Tamanini. "De uma perspetiva teórica, nada impede a presença de exoplanetas em torno de anãs brancas binárias compactas."

Se estes sistemas existirem e forem encontrados pelo LISA, os cientistas vão obter novos dados para desenvolver ainda mais a teoria da evolução planetária. Vão melhor entender as condições sob as quais um planeta sobreviver à(s) fase(s) de gigante(s) vermelha(s) e também testar a existência de uma segunda geração de planetas, ou seja, planetas que se formam após a fase de gigante vermelha. Por outro lado, se o LISA não detetcar exoplanetas em órbita de anãs brancas binárias, os cientistas serão capazes de estabelecer restrições no estágio final da evolução planetária na Via Láctea.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Centenário da Teoria da Relatividade

Os buracos negros estão entre os objetos mais fascinantes do Universo. Envolvendo enormes quantidades de matéria em regiões relativamente pequenas, estes objetos compactos têm densidades enormes que dão origem a alguns dos campos gravitacionais mais fortes do cosmos, tão fortes que nada pode escapar, nem mesmo a luz.

© Scientific American (ilustração de dois buracos negros em fusão)

Uma fusão de um buraco negro foi detectada pela primeira vez em 2015 pelo LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser, que detectou as ondas gravitacionais, ou seja, flutuações no tecido do espaço-tempo criadas pela colisão gigante.

  

Os buracos negros e ondas gravitacionais são previsões da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, a qual foi apresentada em 1915 e permanece, até hoje, a melhor teoria para descrever a gravidade em todo o Universo.

Karl Schwarzschild derivou as equações para buracos negros em 1916, mas estas permaneceram uma curiosidade teórica durante várias décadas, até que as observações de raios X realizadas com telescópios espaciais puderam finalmente sondar a emissão altamente energética da matéria na vizinhança desses objetos extremos. A primeira imagem da silhueta escura de um buraco negro, lançada contra a luz da matéria no seu entorno imediato, só foi captada recentemente pelo telescópio Event Horizon e publicada no mês passado.

Quanto às ondas gravitacionais, foi o próprio Einstein quem previu a sua existência a partir da sua teoria, também em 1916, mas levaria outro século para finalmente se observar essas flutuações. Desde 2015, os observatórios terrestres LIGO e Virgo reuniram mais de uma dúzia de detecções, e a astronomia de ondas gravitacionais é um novo campo de pesquisa em desenvolvimento.

Mas outra das previsões de Einstein encontrou prova de observação muito mais cedo: a curvatura gravitacional da luz, que foi demonstrada apenas alguns anos depois da teoria aparecer, durante um eclipse total do Sol em 1919.

No contexto da relatividade geral, qualquer objeto com massa dobra o tecido do espaço-tempo, desviando o caminho de qualquer objeto que passe por perto, incluindo a luz. Uma visão artística dessa distorção, também conhecida como lente gravitacional, encontra-se retratada nesta representação de dois buracos negros em fusão.

Há cem anos, os astrônomos começaram a testar a relatividade geral, observando se e como a massa do Sol desvia a luz de estrelas distantes. Esta experiência só poderia ser realizada obscurecendo a luz do Sol para revelar as estrelas ao seu redor, algo que é possível durante um eclipse solar total.

Em 29 de maio de 1919, Sir Arthur Eddington observou as estrelas distantes ao redor do Sol durante um eclipse na ilha do Príncipe, na África Ocidental, enquanto Andrew Crommelin realizou observações semelhantes em Sobral, no nordeste do Brasil. Os seus resultados, apresentados seis meses depois, indicaram que as estrelas observadas perto do disco solar durante o eclipse foram levemente deslocadas em relação à sua posição normal no céu, aproximadamente pela quantidade prevista pela teoria de Einstein para o seu desvio devido à massa do Sol.

“Acende todos os mortos no céu”, destacou o New York Times em novembro de 1919 para anunciar o triunfo da nova teoria de Einstein. Isto inaugurou um século de experiências excitantes pesquisando a gravidade na Terra e no espaço e provando a relatividade geral de um modo cada vez mais preciso.

Veja um documentário preparado pelo Observatório Nacional que apresenta o Eclipse de Sobral e a Teoria da Relatividade Geral. Click na imagem a seguir.

© ON (o Eclipse de Sobral e a Teoria da Relatividade Geral)

Demos saltos gigantescos nos últimos cem anos, mas ainda há muito para descobrir. Athena, o futuro observatório de raios X da ESA, investigará detalhadamente, e sem precedentes, os buracos negros supermassivos que se situam no centro das galáxias. LISA, outra futura missão da ESA, detectará as ondas gravitacionais a partir de órbita, procurando as flutuações de baixa frequência que são liberadas quando dois buracos negros supermassivos se fundem e só podem ser detectados a partir do espaço.

Ambas as missões estão atualmente em fase de estudo, e estão programadas para lançamento no início dos anos 2030. Se Athena e LISA pudessem operar em conjunto por pelo menos alguns anos, poderiam realizar uma experiência única: observar a fusão de buracos negros supermassivos tanto em ondas gravitacionais quanto em raios X.

Precisamos do LISA para detectar as ondas gravitacionais e nos dizer onde procurar no céu, depois precisamos que o Athena a observe com alta precisão em raios X para ver como a poderosa colisão afeta o gás que circunda os buracos negros. Não sabemos o que acontece durante um confronto cósmico desse tipo, portanto, essa experiência, muito parecida com o eclipse de 1919 que primeiro provou a teoria de Einstein, está preparada para abalar a nossa compreensão da gravidade e do Universo.

Fontes: Observatório Nacional e Scientific American

Ondas gravitacionais poderão fornecer medição da expansão do Universo

Há vinte anos, os cientistas ficaram chocados ao perceber que o nosso Universo não está apenas se expandindo, mas que está se expandindo mais depressa com o passar do tempo.

© A. Simon (colisão de duas estrelas de nêutrons)

A determinação da taxa exata de expansão, chamada constante de Hubble, em honra ao famoso astrônomo Edwin Hubble, tem sido surpreendentemente difícil. Desde então, os cientistas usaram dois métodos para calcular o valor, com resultados angustiantemente diferentes. Mas a surpreendente captura de ondas gravitacionais do ano passado, oriundas de uma colisão de estrelas de nêutrons, forneceu uma terceira forma de calcular a constante de Hubble.

Este foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas num novo estudo, três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, dada a rapidez com que os pesquisadores viram a primeira colisão entre estrelas de nêutrons, podem ter uma medida muita precisa da constante de Hubble dentro de cinco a dez anos.

"A constante de Hubble diz-nos o tamanho e idade do Universo; é o 'santo Graal' desde o nascimento da cosmologia. O seu cálculo, recorrendo às ondas gravitacionais, poderá dar-nos uma perspetiva inteiramente nova do Universo," comenta o autor Daniel Holz, professor de física na Universidade de Chicago. "A questão é: quando é que muda o jogo para a cosmologia?"

Em 1929, Edwin Hubble anunciou que, com base nas suas observações de galáxias localizadas além da Via Láctea, estas pareciam estar se afastando de nós, e que quanto mais distante a galáxia, mais rápido estava retrocedendo. Esta é uma pedra fundamental da teoria do Big Bang e iniciou uma busca de quase um século pela taxa exata a que isto ocorre.

Para calcular a taxa de expansão do Universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância até um objeto distante; o outro é quão rápido o objeto se afasta de nós devido à expansão do Universo. Se pudermos vê-lo com um telescópio, o segundo valor é relativamente fácil de determinar, porque a luz que vemos quando olhamos para uma estrela distante desvia-se para o vermelho à medida que se afasta. Os astrônomos há mais de um século que usam este truque para ver a velocidade com que um objeto se move; é como o efeito Doppler, no qual uma sirene muda de tom quando a ambulância passa por nós.

Mas obter uma medida exata da distância é muito mais difícil. Tradicionalmente, os astrofísicos usam uma técnica chamada escada de distâncias cósmicas, na qual o brilho de certas estrelas variáveis e supernovas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam até ao objeto em questão.

Talvez as supernovas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensa. Talvez estejamos confundindo alguns tipos de supernovas com outros, ou exista algum erro desconhecido nas nossas medições das distâncias até estrelas próximas.

A outra maneira importante de calcular a constante de Hubble é olhar para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o pulso de luz criada no início do Universo, que ainda é vagamente detectável. Embora também seja útil, este método baseia-se igualmente em suposições sobre como o Universo funciona.

O surpreendente é que, embora os cientistas que fazem cada cálculo estejam confiantes nos seus resultados, estes não são iguais. Um diz que o Universo está se expandindo quase 10% mais depressa do que o outro.

Então os detectores do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) captaram a sua primeira ondulação no tecido do espaço-tempo a partir da colisão de duas estrelas no ano passado. Isto não somente abalou o observatório, mas o próprio campo da astronomia: ser capaz de sentir a onda gravitacional e ver a luz do rescaldo da colisão com um telescópio deu aos cientistas uma nova e poderosa ferramenta.

As ondas gravitacionais fornecem uma maneira completamente diferente de calcular a constante de Hubble. Quando duas estrelas massivas colidem uma com a outra, emitem ondulações no tecido do espaço-tempo que podem ser detectadas na Terra. Medindo este sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e da energia das estrelas em colisão. Quando comparam esta leitura com a força das ondas gravitacionais, podem inferir a que distância elas estão.

Esta medição é mais limpa e contém menos suposições sobre o Universo, o que deve torná-la mais precisa. Juntamente com Scott Hughes do Massachusetts Institute of Technology (MIT), Holz sugeriu a ideia de fazer esta medição com ondas gravitacionais emparelhadas com observações telescópicas em 2005. A única questão é a frequência com que os cientistas podiam captar estes eventos, e quão bons seriam os dados.

A pesquisa prevê que, assim que os cientistas tenham detectado 25 leituras de colisões de estrelas de nêutrons, possam medir a expansão do Universo com uma precisão de 3%. Com 200 leituras, este número diminui para 1%.

Os cientistas dizem que um novo número preciso para a constante de Hubble seria fascinante, não importa a resposta. Por exemplo, uma razão possível para a incompatibilidade nos outros dois métodos é que a natureza da própria gravidade pode ter mudado com o tempo. A leitura também pode trazer dados sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do Universo.

Está planejado que os detetores do LIGO comecem uma nova campanha de observações em fevereiro de 2019, juntamente com os seus homólogos italianos no VIRGO. Graças a uma atualização, a sensibilidade dos detectores será muito maior, expandindo o número e distância de eventos astronômicos que podem captar.

O estudo foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Chicago

Detectado parente de fonte de ondas gravitacionais

Há cerca de um ano, os astrônomos relataram animadamente a primeira detecção de ondas eletromagnéticas, ou luz, de uma fonte de ondas gravitacionais. Agora, um ano depois, pesquisadores estão anunciando a existência de um parente cósmico deste acontecimento histórico.

© Chandra/Hubble (GRB 150101B)

A descoberta foi feita usando dados obtidos pelo observatório de raios X Chandra, pelo telescópio espacial de raios gama Fermi, pelo observatório Swift Neil Gehrels, pelo telescópio espacial Hubble e pelo telescópio do Discovery Channel.

O objeto do novo estudo, de nome GRB 150101B, foi reportado pela primeira vez como uma explosão de raios gama detectada pelo Fermi em janeiro de 2015. Esta detecção e observações de acompanhamento, em outros comprimentos de onda, mostram que GRB 150101B partilha semelhanças notáveis com a fusão de estrelas de nêutrons e fonte de ondas gravitacionais descoberta pelo LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) e pelo seu equivalente europeu Virgo em 2017, conhecida como GW170817. O estudo mais recente conclui que estes dois objetos separados podem estar relacionados.

"A nossa descoberta diz-nos que eventos como GW170817 e GRB 150101B podem representar uma nova classe de objetos em erupção que ligam e desligam raios X e podem, na verdade, ser relativamente comuns," comenta Eleonora Troja, autora principal do estudo, do Goddard Space Flight Center da NASA e da Universidade de Maryland em College Park.

Troja e colegas pensam que tanto GRB 150101B como GW170817 foram provavelmente produzidos pelo mesmo tipo de evento: a fusão de duas estrelas de nêutrons, uma coalescência que gerou um jato estreito, ou feixe, de partículas altamente energéticas. O jato produziu uma explosão curta e intensa de raios gama (GRB), um flash de alta energia que pode durar apenas alguns segundos. O GW170817 provou que estes eventos também podem criar ondulações no próprio espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais.

A aparente correspondência entre GRB 150101B e GW170817 é impressionante: ambos produziram uma explosão de raios gama incomumente tênue, ambos foram uma fraca fonte de luz azul com a duração de alguns dias e a emissão de raios X durou muito mais tempo. As galáxias hospedeiras são também incrivelmente similares, com base em observações do telescópio espacial Hubble e do telescópio do Discovery Channel. Ambas são galáxias elípticas brilhantes com uma população de estrelas com alguns bilhões de anos e sem evidências de nova formação estelar.

Nos casos, tanto de GRB 150101B como de GW170817, o aumento lento na emissão de raios X, em comparação com a maioria dos GRBs, implica que a explosão tenha provavelmente sido vista "fora do eixo", isto é, com o jato não apontando diretamente para a Terra. A descoberta do objeto GRB 150101B representa apenas a segunda vez que os astrônomos detectaram um GRB curto fora do eixo.

Embora existam muitas semelhanças entre GRB 150101B e GW170817, existem duas diferenças muito importantes. Uma é a sua localização. O GW170817 está a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, enquanto o GRB 150101B está a mais ou menos 1,7 bilhões de anos-luz de distância. Mesmo que o LIGO estivesse em operação no início de 2015, muito provavelmente não teria detectado ondas gravitacionais de GRB 150101B devido à sua distância maior.

"A beleza de GW170817 é que nos deu um conjunto de características, como marcadores genéticos, para identificar novos membros da família de objetos explosivos a distâncias ainda maiores do que o LIGO pode atualmente alcançar," afirma Luigi Piro do Instituto Nacional de Astrofísica em Roma, Itália.

A emissão óptica de GRB150101B está em grande parte na porção azul do espectro, fornecendo uma pista importante de que este evento envolveu o que chamamos de uma quilonova, como visto em GW170817. Uma quilonova é uma explosão extremamente poderosa que não apenas libera uma grande quantidade de energia, mas também produz elementos importantes como ouro, platina e urânio que outras explosões estelares não produzem.

É possível que algumas fusões como as vistas em GW170817 e GRB 150101B tenham sido detectadas anteriormente como GRBs curtos, mas não foram identificadas com outros telescópios. Sem detecções em comprimentos de onda mais longos, como raios X ou no visível, as posições dos GRBs não são precisas o suficiente para determinar em qual galáxia estão localizadas.

No caso de GRB 150101B, os astrônomos pensaram inicialmente que o equivalente era uma fonte de raios X detectada pelo Swift no centro de uma galáxia, provavelmente de material caindo para um buraco negro supermassivo. No entanto, as observações de acompanhamento com o Chandra detectaram a homóloga verdadeira longe do centro da galáxia hospedeira.

A outra diferença importante entre GW170817 e GRB 150101B é que sem a detecção de ondas gravitacionais, a equipe não conhece as massas dos dois objetos que se fundiram. É possível que a fusão tenha ocorrido entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, em vez de duas estrelas de nêutrons.

"Precisamos de mais casos como GW170817 que combinam dados de ondas gravitacionais com eletromagnéticos para encontrar um exemplo entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Esta detecção seria a primeira do tipo," comenta Hendrik Van Eerten da Universidade de Bath, no Reino Unido.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista Nature Communications.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Ondas gravitacionais podem revelar quão depressa o Universo se expande?

Desde que nasceu há 13,8 bilhões de anos, que o Universo tem vindo a expandir-se, arrastando centenas de bilhões de galáxias e estrelas, como passas numa massa que cresce rapidamente.

© MIT (simulação da fusão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons)

Os astrônomos têm apontado telescópios para certas estrelas e outras fontes cósmicas a fim de medir a sua distância à Terra e quão rapidamente se afastam de nós, dois parâmetros essenciais para estimar a constante de Hubble, uma unidade de medida que descreve o ritmo de expansão do Universo.

Mas, até à data, os esforços mais precisos basearam-se em valores muito diferentes da constante de Hubble, não oferecendo uma resolução definitiva para exatamente quão depressa o Universo cresce. Esta informação pode desvendar as origens do Universo, bem como sobre o seu destino, se o cosmos se expandirá indefinidamente ou se acabará num colapso.

Agora, cientistas do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e da Universidade de Harvard propuseram uma maneira mais precisa e independente de medir a constante de Hubble, usando ondas gravitacionais emitidas por um sistema relativamente raro: um sistema binário altamente energético composto por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons. À medida que estes objetos se aproximam um do outro, devem produzir ondas gravitacionais e um surto de luz quando finalmente colidirem.

Os pesquisadores relatam que o lâmpejo de luz daria aos cientistas uma estimativa da velocidade do sistema, ou quão depressa se afasta da Terra. As ondas gravitacionais emitidas, se detectadas na Terra, deveriam fornecer uma medição precisa e independente da distância do sistema. Embora os sistemas constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons sejam incrivelmente raros, os pesquisadores calculam que a detecção de apenas alguns destes deverá render o valor mais preciso, até agora, da constante de Hubble e do ritmo de expansão do Universo.

Recentemente foram feitas duas medições independentes da constante de Hubble, uma usando o telescópio espacial Hubble da NASA e outra usando o satélite Planck da ESA. A medição do telescópio espacial Hubble é baseada em observações de um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, bem como observações de supernovas. Ambos os objetos são considerados "velas padrão", devido ao padrão previsível de brilho que os cientistas podem usar para estimar a distância e a velocidade da estrela.

O outro tipo de estimativa é baseado em observações das flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, a radiação eletromagnética deixada para trás no rescaldo do Big Bang, quando o Universo estava ainda na sua infância. Embora as observações por ambos os observatórios espaciais sejam extremamente precisas, as suas estimativas da constante de Hubble discordam significativamente.

O LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) detecta ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo produzidas por fenômenos astrofísicos cataclísmicos.

Em 2017, os cientistas tiveram a sua primeira oportunidade para estimar a constante de Hubble a partir de uma fonte de ondas gravitacionais, quando o LIGO e o seu homólogo italiano Virgo detectaram pela primeira vez a colisão de um par de estrelas de nêutrons. A colisão liberou uma quantidade enorme de ondas gravitacionais, que os pesquisadores usaram para determinar a distância do sistema à Terra. A fusão também liberou um flash de luz, que foi observado com telescópios terrestres e espaciais a fim de determinar a velocidade do sistema.

Com ambas as medições, os cientistas calcularam um novo valor para a constante de Hubble. No entanto, a estimativa veio com uma incerteza relativamente grande de 14%, muito maior que os valores calculados usando os telescópios espaciais Hubble e Planck.

A grande parte da incerteza é devido a dificuldade de interpretar a distância de um binário de estrelas de nêutrons a partir da Terra usando as ondas gravitacionais que este sistema em particular libera.

Estes sistemas, que produzem um disco giratório de energia à medida que as duas estrelas de nêutrons espiralam em direção uma da outra, emitem ondas gravitacionais de maneira desigual. A maioria das ondas gravitacionais são disparadas para fora do centro do disco, enquanto uma fração muito menor escapa pelos limites. Se os cientistas detectarem um sinal de uma onda gravitacional, isso poderá indicar um de dois cenários: as ondas detectadas são provenientes da orla de um sistema muito próximo da Terra, ou as ondas são emanadas do centro de um sistema muito mais distante.

Em 2014, antes do LIGO fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais, os pesquisadores observaram que um sistema binário composto por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons poderia fornecer uma medição mais precisa da distância, em comparação com binários de estrelas de nêutrons. A equipe estava analisando a precisão com que se pode medir a rotação de um buraco negro, já que os objetos giram sob os seus próprios eixos, de forma semelhante à Terra, mas muito mais depressa.

Os cientistas simularam uma variedade de sistemas com buracos negros, incluindo binários de buracos negros e estrelas de nêutrons e binários de estrelas de nêutrons. Como resultado deste esforço, a equipe notou que eram capazes de determinar com maior precisão a distância dos binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons, em comparação com os binários compostos por duas estrelas de nêutrons. Isso deve-se à rotação do buraco negro em torno da estrela de nêutrons.

Entretanto, mesmo que os sistemas binários de estrelas de nêutrons superem os binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons por um fator de 50, este último tipo produziria uma constante de Hubble similar, em termos de precisão, em comparação com o primeiro.

De forma mais otimista, se os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons fossem ligeiramente mais comuns, mas ainda mais raros do que os binários de estrelas de nêutrons, o primeiro produziria uma constante de Hubble quatro vezes mais precisa.

O LIGO começará a obter dados novamente em janeiro de 2019, e será muito mais sensível, o que significa que podemos ver objetos mais distantes. Assim sendo, o LIGO deverá ver pelo menos um binário constituído por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons, talvez no máximo 25, o que ajudará a resolver a tensão existente na medição da constante de Hubble, esperançosamente nos próximos anos.

Um artigo publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Massachusetts Institute of Technology

Fusão de estrelas de nêutrons mostra padrão inesperado

O brilho de uma distante fusão de estrelas de nêutrons, detectada no passado mês de agosto, continuou aumentando, para a surpresa dos astrofísicos que estudam as consequências da gigantesca colisão que ocorreu a aproximadamente 138 milhões de anos-luz de distância e emitiu ondas gravitacionais pelo Universo.

© NASA/Chandra/McGill/J. Ruan (ondas gravitacionais da fusão de duas estrelas de nêutrons)

As imagens mostram a fonte de ondas gravitacionais GW170817 em raios X, produzida pela fusão de duas estrelas de nêutrons. A imagem da esquerda é a soma das observações com o observatório de raios X Chandra da NASA, obtidas no final de agosto e início de setembro, e a imagem da direita é a soma das observações do Chandra obtidas no início de dezembro. Tornou-se cerca de 4 vezes mais brilhante ao longo de três meses. O evento teve lugar na galáxia NGC 4993, cujo centro também pode ser visto nas imagens. GW170817 foi observado pela primeira vez no dia 17 de agosto de 2017.

Novas observações com o observatório de raios X Chandra indicam que a explosão de raios gama desencadeada pela colisão é mais complexa do que os cientistas imaginaram inicialmente.

"Geralmente, quando vemos uma pequena explosão de raios gama, a emissão de jatos aqui gerada fica mais brilhante durante um curto período de tempo enquanto colide com o meio circundante, e depois desaparece quando o sistema para de injetar energia no fluxo," comenta Daryl Haggard, astrofísico da Universidade McGill.

Os novos dados podem ser explicados usando modelos mais complicados para os remanescentes da fusão de estrelas de nêutrons. Uma possibilidade: a fusão lançou um jato que chocou e aqueceu os detritos gasosos circundantes, criando um "casulo" quente em torno do jato que brilhou em raios X e rádio durante meses.

As observações de raios X encaixam com os dados de ondas rádio divulgados o mês passado por outra equipe de cientistas que descobriu que estas emissões da colisão também continuaram aumentando de brilho ao longo do tempo.

Enquanto os radiotelescópios foram capazes de monitorar o pós-brilho, os observatórios ópticos e de raios X não conseguiram observar durante cerca de três meses porque durante este período o local do evento, no céu, estava demasiado perto do Sol.

"Quando a fonte surgiu daquele ponto cego no céu no início de dezembro, a nossa equipe do Chandra aproveitou logo a oportunidade para ver o que estava acontecendo," comenta John Ruan, pesquisador de pós-doutorado do Instituto Espacial McGill.

Este padrão inesperado desencadeou uma corrida, entre os astrônomos, para entender a física que alimenta a emissão. A fusão entre as duas estrelas de nêutrons foi detectada pela primeira vez no dia 17 de agosto pela experiência LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). O detector europeu, Virgo, e cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais ajudaram a confirmar a descoberta.

A descoberta abriu uma nova era na astronomia. Assinala a primeira vez que os cientistas foram capazes de observar um evento cósmico tanto no espectro eletromagnético, a base da astronomia tradicional, como em ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo previstas há um século pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Pensa-se que as fusões das estrelas de nêutrons, que estão entre os objetos mais densos do Universo, sejam responsáveis por produzir elementos pesados, como ouro, platina e prata.

A pesquisa foi divulgada na revista Astrophysical Journal Letters.

Fonte: McGill University

Comportamento estranho de estrela revela buraco negro solitário

Uma estrela está comportando-se de forma muito estranha num aglomerado estelar gigante.

© ESO/L. Calçada (ilustração de sistema binário com um buraco negro)

A estrela parece orbitar um buraco negro invisível com cerca de quatro vezes a massa do Sol, o primeiro buraco negro inativo de massa estelar a ser encontrado num aglomerado globular e o primeiro descoberto diretamente através da detecção do seu efeito gravitacional. Esta importante descoberta tem um forte impacto na nossa compreensão da formação destes aglomerados estelares, buracos negros e origem de eventos de ondas gravitacionais.

Os aglomerados estelares globulares são enormes esferas de dezenas de milhares de estrelas que orbitam a maioria das galáxias. Estes objetos encontram-se entre os sistemas estelares mais velhos conhecidos no Universo, datando do início da formação e evolução galáctica. Atualmente, conhecem-se mais de 150 destes aglomerados pertencentes à Via Láctea.

Um deles em particular, chamado NGC 3201 e situado na constelação austral da Vela, foi agora estudado com o auxílio do instrumento MUSE, montado no Very Large Telescope (VLT) do ESO no Chile. Uma equipe internacional de astrônomos descobriu que uma das estrelas do NGC 3201 está sendo lançada para trás e para a frente com uma velocidade de várias centenas de milhares de km por hora, num ciclo que se repete a cada 167 dias. A estrela descoberta está na fase final da sequência principal. Tendo queimado já todo o seu hidrogênio em seu centro, está agora a caminho de se tornar uma gigante vermelha.

© Hubble (aglomerado estelar globular NGC 3201)

A relação entre buracos negros e aglomerados globulares é importante, mas misteriosa. Devido à sua grande massa e idade elevada, pensa-se que estes aglomerados deram origem a um elevado número de buracos negros estelares, formados quando estrelas massivas em seu interior explodiram e colapsaram ao longo da longa vida do aglomerado.

Na ausência de formação estelar contínua, como é o caso dos aglomerados globulares, os buracos negros de massa estelar tornam-se rapidamente os objetos mais massivos presentes. Geralmente, os buracos negros estelares em aglomerados globulares são cerca de quatro vezes mais massivos que as estrelas de baixa massa que os rodeiam. Teorias recentes concluíram que os buracos negros formam um núcleo denso no centro do aglomerado, o qual se separa depois do resto do material globular. Pensa-se por isso que movimentos no centro do aglomerado ejetem a maioria dos buracos negros, o que significa que apenas alguns sobrevivem após um bilhão de anos.

Os buracos negros estelares formam-se quando estrelas massivas morrem, colapsando sob a sua própria gravidade e explodindo sob a forma de poderosas hipernovas. Para trás fica um buraco negro com a maior parte da massa da estrela original.

O instrumento MUSE do ESO deu aos astrônomos a capacidade única de medir os movimentos de milhares de estrelas distantes simultaneamente. Deste modo, a equipe conseguiu detectar pela primeira vez um buraco negro inativo no coração de um aglomerado globular, ou seja, um buraco negro que não está atualmente “engolindo” matéria e não se encontra rodeado por um disco brilhante de gás. A equipe conseguiu estimar a massa do buraco negro a partir dos movimentos da estrela que se encontra sobre a influência da sua enorme atração gravitacional. Como a luz não consegue escapar dos buracos negros devido à enorme gravidade destes objetos, o método principal de detecção de buracos negros é através de observações de ondas de rádio e raios X emitida pelo material quente que os rodeia. No entanto, quando um buraco negro não se encontra interagindo com matéria quente e portanto não acumula massa ou emite radiação, encontra-se inativo e invisível, sendo por isso necessário aplicar outro método de detecção.

Através das propriedades observadas, determinou-se que a estrela tem cerca de 0,8 vezes a massa do nosso Sol e calculou-se que a massa do seu misterioso companheiro é cerca de 4,36 vezes a massa solar, o que faz dele quase com certeza um buraco negro.

Uma vez que o objeto não luminoso neste sistema binário não pode ser observado diretamente, existem explicações alternativas, se bem que menos plausíveis, para o que poderá ser. Por exemplo, poderia talvez ser um sistema estelar triplo composto de duas estrelas de nêutrons fortemente ligadas, com a estrela observada orbitando em torno destas. Este cenário requereria que cada uma das estrelas fortemente ligadas tivesse pelo menos duas vezes a massa do Sol, um sistema binário que nunca foi observado até agora.

Detecções recentes de fontes rádio e raios X em aglomerados globulares, assim como a detecção de 2016 de sinais de ondas gravitacionais produzidas pela fusão de dois buracos negros de massa estelar, sugerem que estes buracos negros relativamente pequenos podem ser mais comuns em aglomerados globulares do que o que se pensava anteriormente.

Até há pouco tempo, assumia-se que quase todos os buracos negros desapareceriam dos aglomerados globulares após um curto período e que sistemas como este não deveriam sequer existir. Esta descoberta possibilita entender melhor a formação dos aglomerados globulares e a evolução de buracos negros e sistemas binários, aspectos vitais para a compreensão das fontes de ondas gravitacionais.

Este trabalho foi descrito no artigo científico intitulado “A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”, de B. Giesers et al., que será publicado na revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: ESO

Ondas gravitacionais medem o Universo

A detecção direta de ondas gravitacionais em pelo menos cinco fontes nos últimos dois anos fornece uma confirmação espetacular do modelo de gravidade e espaço-tempo de Albert Einstein.

© NASA/ESA (NGC 4993 e GW170817)

A galáxia NGC 4993 hospeda o evento de onda gravitacional GW170817 que foi usado para medir a idade do Universo. A fonte deste evento é o ponto avermelhado para cima e para a esquerda do centro da galáxia; não estava aí em imagens anteriores.

A modelagem destes eventos também forneceu informações sobre a formação de estrelas massivas, explosões de raios gama, características das estrelas de nêutrons e a verificação de ideias teóricas sobre como os elementos muito pesados, como o ouro, são produzidos.

Os astrônomos usaram agora um único evento de onda gravitacional (GW170817) para medir a idade do Universo. Uma equipe composta por 1.314 cientistas de todo o mundo contribuiu para a detecção de ondas gravitacionais oriundas da fusão de um par de estrelas de nêutrons, seguida pela detecção de raios gama e depois pela identificação da origem do cataclismo numa fonte localizada na galáxia NGC4993 avistada em imagens obtidas com vários atrasos de tempo e em comprimentos de onda que vão desde os raios X até ao rádio.

A análise das ondas gravitacionais deste evento infere a sua força intrínseca. A força observada é menor, o que implica que a fonte está a aproximadamente 140 milhões de anos-luz de distância. A NGC 4993, a sua galáxia hospedeira, tem uma velocidade externa devido à expansão do Universo que pode ser medida a partir das linhas do espectro. A determinação da distância da galáxia e da velocidade com que se afasta de nós permite que os cientistas calculem o tempo desde que a expansão começou, a idade do Universo: entre aproximadamente 11,9 e 15,7 bilhões de anos, tendo em conta as incertezas experimentais.

A idade derivada deste único evento é consistente com as estimativas de décadas de observações que se baseiam em métodos estatísticos usando outras duas fontes: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e os movimentos das galáxias. A primeira baseia-se no mapeamento da distribuição muito fraca de luz que remonta a uma época mais ou menos 400 mil anos após o Big Bang; a segunda envolve uma análise estatística das distâncias e movimentos de dezenas de milhares de galáxias em épocas relativamente recentes. O fato de que este único evento de onda gravitacional foi capaz de determinar a idade do Universo, é incrível, e não é possível para cada detecção de ondas gravitacionais. Neste caso, houve a identificação óptica da fonte, de modo que uma velocidade pôde ser medida, e a fonte nem estava muito longe nem era muito tênue. Com uma grande amostra estatística de eventos de ondas gravitacionais de todos os tipos, o intervalo atual de valores para a idade vai ficar menor.

O novo resultado é intrigante por outro motivo. Embora tanto a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e as medições das galáxias sejam bastante precisas, parecem discordar uma da outra em mais ou menos 10%. Esta divergência pode ser apenas um erro observacional, mas alguns astrônomos suspeitam que pode ser uma diferença real, refletindo algo que falta atualmente na nossa imagem do processo de expansão cósmica, talvez relacionada com a radiação cósmica de fundo remontar a uma época radicalmente diferente do tempo cósmico do que os dados das galáxias. Este terceiro método, os eventos de ondas gravitacionais, podem ajudar a resolver o enigma.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics