Observada a primeira luz de uma fonte de ondas gravitacionais

Os telescópios do ESO no Chile detectaram a primeira contrapartida visível de uma fonte de ondas gravitacionais.

© ESO/L. Calçada/M. Kornmesser (ilustração das estrelas de nêutrons coalescentes)

Estas observações históricas sugerem que este objeto único é o resultado de uma fusão entre duas estrelas de nêutrons. Os efeitos cataclísmicos deste tipo de fusão, eventos há muito previstos chamados quilonovas, dispersam no Universo elementos pesados, tais como o ouro e a platina. Esta descoberta mostra também a melhor evidência recolhida até agora de que explosões de raios gama de curta duração são causadas pela fusão de estrelas de nêutrons.

Astrônomos observaram pela primeira vez tanto ondas gravitacionais como luz (radiação eletromagnética) emitidas pelo mesmo evento, graças a um esforço de colaboração global e às reações rápidas das infraestruturas do ESO e de outras instituições em todo o mundo.

Em 17 de agosto de 2017, o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) trabalhando em sincronia com o interferômetro Virgo na Itália, detectou ondas gravitacionais passando pela Terra. Este evento, o quinto a ser detectado, recebeu o nome de GW170817. Cerca de dois segundos depois, dois observatórios espaciais, o Fermi Gamma-ray Space Telescope da NASA e o INTEGRAL (INTErnacional Gamma Ray Astrophysics Laboratory) da ESA, detectaram uma explosão de raios gama de curta duração com origem na mesma região do céu.

A rede LIGO-Virgo posicionou a fonte numa grande região do céu austral, com uma área correspondente a várias centenas de Luas Cheias, contendo milhões de estrelas. Quando a noite caiu no Chile, muitos telescópios observaram esta região do céu em busca de novas fontes. Entre estes telescópios encontravam-se o VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) e o VST (Telescópio de Rastreio do VLT) do ESO instalados no Observatório do Paranal, o telescópio REM (Rapid Eye Mount) no Observatório de La Silla do ESO, o telescópio LCO de 0,4 metros no Observatório Las Cumbres e o DECcam americano no Observatório Inter-americano de Cerro Tololo. O telescópio Swope de 1 metro foi o primeiro a anunciar um novo ponto de luz. Esta fonte aparecia muito próximo da NGC 4993, uma galáxia lenticular na constelação da Hidra (ou Cobra Fêmea), e as observações do VISTA localizaram esta fonte no infravermelho praticamente no mesmo instante. À medida que a noite progredia para oeste no globo terrestre, os telescópios Pan-STARRS e Subaru, instalados nas ilhas havaianas, também observaram esta fonte, vendo-a evoluir rapidamente.

© ESO/A.J. Levan/N.R. Tanvir (NGC 4993)

O ESO lançou uma das suas maiores campanhas de observação do objeto. O Very Large Telescope (VLT), o New Technology Telescope (NTT), o VST do ESO, o telescópio MPG/ESO de 2,2 metros e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observaram o evento e os seus efeitos num grande domínio de comprimentos de onda. Cerca de 70 observatórios em todo o mundo observaram este evento, incluindo o telescópio espacial Hubble da NASA/ESA.

As estimativas de distância, obtidas tanto a partir dos dados de ondas gravitacionais como de outras observações, concordam que GW170817 se encontrava à mesma distância que a NGC 4993, a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, o que faz desta fonte o evento de ondas gravitacionais mais próximo detectado até hoje e também uma das fontes de explosões de raios gama mais próxima já observada.

As ondas no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais são criadas por massas em movimento, mas apenas as mais intensas, criadas por variações rápidas na velocidade de objetos muito massivos, é que conseguem ser atualmente detectadas. Um evento deste tipo tem origem na fusão de estrelas de nêutrons, os núcleos colapsados e extremamente densos de estrelas de elevada massa, que restam após uma explosão de supernova.

Quando estrelas de nêutrons orbitam uma em torno da outra num sistema binário, os objetos perdem energia ao emitir ondas gravitacionais e se aproximam. Quando finalmente se encontram, parte da massa destes restos estelares é convertida em energia numa violenta erupção de ondas gravitacionais, tal como descrito pela famosa equação de Einstein E=mc².

Estas fusões têm sido, até agora, a hipótese principal para explicar as explosões de raios gama de curta duração. Acredita-se que um evento explosivo, 1.000 vezes mais brilhante que uma nova típica, a chamada quilonova, siga este tipo de evento.

As detecções quase simultâneas das ondas gravitacionais e dos raios gama emitidos pela GW170817 fizeram pensar que este objeto seria na realidade uma quilonova, há muito procurada, e as observações obtidas nas infraestruturas do ESO revelaram propriedades notavelmente próximas das previsões teóricas. As quilonovas foram sugeridas há mais de 30 anos mas este trabalho marca a sua primeira observação confirmada.

Na sequência da fusão das duas estrelas de nêutrons, uma erupção de elementos químicos pesados em expansão rápida deixou a quilonova, movendo-se a uma velocidade de 1/5 da velocidade da luz. A cor da quilonova variou desde muito azul a muito vermelha em poucos dias, uma variação mais rápida do que a observada em qualquer outra explosão estelar.

Os espectros do ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects) e do instrumento X-shooter do VLT sugerem a presença de césio e telúrio, ejetados pelas estrelas de nêutrons coalescentes. Estes e outros elementos pesados, produzidos durante a fusão das estrelas, seriam lançados para o espaço pela quilonova subsequente. Estas observações apontam para a formação de elementos mais pesados que o ferro através de reações químicas ocorrendo no interior de objetos estelares de alta densidade, a chamada nucleossíntese de processo-r, algo que tinha apenas sido teorizado até hoje.

Este trabalho foi apresentado numa série de artigos científicos publicados nas revistas Nature, Nature Astronomy e Astrophysical Journal Letters.

Fonte: ESO

Encontrados pares de buracos negros gigantes

Astrônomos identificaram uma colheita abundante de buracos negros supermassivos duplos nos centros de galáxias.

© NASA/Chandra/A. Hobart (ilustração de um par de buracos negros supermassivos)

Esta descoberta pode ajudar na compreensão da maneira como os buracos negros gigantes crescem e como podem produzir as mais fortes ondas gravitacionais do Universo.

As novas evidências revelam cinco pares de buracos negros supermassivos, cada contendo milhões de vezes a massa do Sol. Estes pares de buracos negros formaram-se quando duas galáxias colidiram e se fundiram umas com as outras, forçando a aproximação entre os seus buracos negros supermassivos.

Os pares de buracos negros foram descobertos através da combinação de dados de vários observatórios, incluindo o observatório de raios X Chandra, do WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) e do LBT (Large Binocular Telescope).

"Os astrônomos já encontraram buracos negros individuais por todo o Universo," afirma Shobita Satyapal, da Universidade George Mason (EUA), que liderou um dos dois artigos que descreve estes resultados. "Mas, embora tenhamos previsto que cresçam rapidamente quando estão em interação, os buracos negros supermassivos duplos têm sido difíceis de serem encontrados."

Antes deste estudo conheciam-se menos de dez pares confirmados de buracos negros, graças a estudos de raios X e com base principalmente em detecções fortuitas. Para realizar uma pesquisa sistemática, a equipe teve que examinar cuidadosamente os dados de telescópios que detectam diferentes comprimentos de onda da luz.

Começando com o projeto Galaxy Zoo, os pesquisadores usaram dados ópticos do SDSS (Sloan Digital Sky Survey) para identificar galáxias onde parecia que havia uma fusão entre duas galáxias menores. A partir deste conjunto, selecionaram objetos cuja separação entre os centros das duas galáxias nos dados do SDSS era inferior a 30.000 anos-luz, e cujas cores infravermelhas dos dados do WISE correspondiam àquelas previstas para um buraco negro supermassivo em rápido crescimento.

Com esta técnica, encontraram sete sistemas em fusão com pelo menos um buraco negro supermassivo. Dado que a forte emissão de raios X é uma característica dos buracos negros supermassivos em crescimento, os pesquisadores observaram estes sistemas com o Chandra. Encontraram pares íntimos de fontes de raios X em cinco destes sistemas, fornecendo evidências convincentes de que contêm dois buracos negros supermassivos em crescimento.

© Chandra/WISE/LBT/SDSS/A. Hobart (dois pares de buracos negros supermassivos)

Tanto os dados de raios X do Chandra como as observações infravermelhas sugerem que os buracos negros supermassivos estão "enterrados" em grandes quantidades de gás e poeira.

"O nosso trabalho mostra que a combinação de uma seleção infravermelha com acompanhamento de raios X é um procedimento muito eficaz para encontrar estes pares de buracos negros," comenta Sara Ellison da Universidade de Victoria, no Canadá. "Os raios X e a detecção infravermelha são capazes de penetrar as nuvens obscuras de gás e poeira que rodeiam estes pares de buracos negros, sendo depois necessária a visão nítida do Chandra para os separar."

A equipe usou dados ópticos adicionais do levantamento MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory) para identificar um dos novos pares de buracos negros. Um membro deste buraco negro binário é particularmente poderoso, tendo a maior luminosidade em raios X já observada, até à data, com o Chandra num par de buracos negros.

Este trabalho tem implicações para o campo crescente da astrofísica de ondas gravitacionais. Enquanto que os cientistas que utilizam o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) já detectaram sinais da fusão de buracos negros, estes buracos negros são da variedade menor, com massas entre oito e 36 vezes a massa do Sol.

Os buracos negros em fusão nos centros das galáxias são muito maiores. Quando estes buracos negros supermassivos se atraem uns aos outros, começam a produzir ondas gravitacionais. A eventual fusão de dois buracos negros supermassivos leva à formação de um buraco negro ainda maior. Este processo produziria uma quantidade surpreendente de energia quando parte da massa fosse convertida em ondas gravitacionais.

"É importante compreender quão comuns são os pares de buracos negros supermassivos, para ajudar a prever os sinais dos observatórios de ondas gravitacionais," comenta Satyapal. "Com as experiências já existentes e com as prestes a chegar, esta é um momento emocionante para investigar a fusão de buracos negros. Estamos nos estágios iniciais de uma nova era na exploração do Universo."

O LIGO não é capaz de dectetar ondas gravitacionais oriundas de pares de buracos negros supermassivos. Ao invés, redes como o NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) estão atualmente realizando estas pesquisas. No futuro, o projeto LISA (Laser Interferometer Space Antenna) também poderá procurar estas ondas gravitacionais.

Quatro dos candidatos a buraco negro duplo foram divulgados num artigo por Satyapal et al., recentemente aceito para publicação na revista The Astrophysical Journal. O outro candidato a buraco negro duplo foi divulgado num artigo por Ellison et al., publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Detectadas ondas gravitacionais da fusão de um buraco negro binário

A colaboração LIGO e a colaboração Virgo anunciaram a primeira detecção conjunta de ondas gravitacionais com os detectores LIGO e Virgo.

© LIGO Caltech (mapa das ondas gravitacionais)

As áreas de origem da onda gravitacional são mapeadas através do céu neste gráfico. Nota-se que quanto menor é a área (GW170814) maior precisãoé a localização da fonte com três detectores.

Esta é a quarta detecção anunciada de um sistema composto por dois buracos negros e o primeiro sinal de onda gravitacional significativa registado pelo detector Virgo, e realça o potencial científico de uma rede de três detectores de ondas gravitacionais.

A observação dos três detectores foi feita no dia 14 de agosto de 2017 às 10:30:43 (UTC). Os dois detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), localizados em Livingston, Louisiana e Hanford, Washington, ambos nos EUA, e o detector Virgo, localizado perto de Pisa, Itália, detectaram um sinal transiente de onda gravitacional produzido pela coalescência de dois buracos negros de massa estelar.

As ondas gravitacionais detectadas - ondulações no espaço e no tempo - foram emitidas durante os momentos finais da fusão de dois buracos negros com massas de mais ou menos 31 e 25 vezes a massa do Sol, localizados a 1,8 bilhões de anos-luz de distância. O buraco negro daí resultante tem aproximadamente 53 vezes a massa do nosso Sol, o que significa que cerca de 3 massas solares foram convertidas em energia de ondas gravitacionais durante a coalescência.

"Este é apenas o início das observações com a rede do Virgo e dos LIGO, trabalhando juntos," comenta David Shoemaker, do Massachusetts Institute of Technology (MIT).

O Advanced LIGO é uma segunda geração de detector de ondas gravitacionais que consiste de dois interferômetros idênticos em Hanford e Livingston, EUA, e usa interferometria laser de precisão para detectar ondas gravitacionais. Desde o início das observações em setembro de 2015, o Advanced Ligo realizou duas campanhas de observação. A segunda campanha de observação, "O2", teve lugar entre os dias 30 de novembro de 2016 e 25 de agosto de 2017.

O Advanced Virgo é o instrumento de segunda geração construído e operado pela colaboração Virgo para procurar ondas gravitacionais. Com o fim das observações do detector original em outubro de 2011, começou a integração do detector Advanced Virgo. Em abril deste ano o detetor avançado começou a trabalhar normalmente.

O detector Virgo juntou-se à campanha O2 no dia 1 de agosto de 2017 as 10:00 (UTC). A detecção em tempo real do dia 14 de agosto foi desencadeada com dados dos três instrumentos. O Virgo é, de momento, menos sensível que o LIGO, mas dois algoritmos de pesquisa independentes, baseados em toda a informação disponível dos três detectores, demonstrou também a evidência de um sinal nos dados do Virgo.

No geral, o volume do Universo que provavelmente contém a fonte encolheu por mais de um fator de 20 quando passando de uma rede composta por dois detectores para uma rede de três detectores. A região do céu em que GW170814 está localizado tem um tamanho de apenas 60 graus quadrados, mais de 10 vezes menor do que com os dados de apenas os dois interferômetros do LIGO; além disso, a precisão na qual a distância à fonte foi medida beneficia também com a adição do Virgo.

Uma área menor de busca permite observações de acompanhamento com telescópios e satélites à procura de eventos cósmicos capazes de produzir ondas gravitacionais e emissões de luz, como a colisão de estrelas de nêutrons.

"À medida que aumentamos o número de observações na rede internacional de ondas gravitacionais, não só melhoramos a localização da fonte, mas também recuperamos informações melhoradas de polarização que fornecem melhores dados sobre a orientação dos objetos em órbita bem como permitem novos testes da teoria de Einstein," comenta Fred Raab, diretor associado do LIGO para as operações de observação.

As instalações eletromagnéticas parceiras do LIGO e VIRGO, espalhadas pelo mundo, não detectaram uma contrapartida do evento GW170814, semelhante às três observações anteriores pelo LIGO das fusões de buracos negros. Os buracos negros produzem ondas gravitacionais, mas não produzem luz.

"Com esta primeira detecção conjunta pelos detectores LIGO e Virgo, demos um passo em frente no cosmos das ondas gravitacionais," afirma David H. Reitze do Caltech, diretor executivo do Laboratório LIGO. "O Virgo traz com ele uma nova e poderosa capacidade para detectar e melhor localizar fontes de ondas gravitacionais, que sem dúvida levará a resultados excitantes e imprevistos no futuro."

Um artigo sobre o evento foi aceito para publicação na revista Physical Review Letters.

Fonte: California Institute of Technology

LIGO detecta ondas gravitacionais pela terceira vez

No dia 4 de janeiro de 2017 o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) descobriu a sua terceira onda gravitacional em 18 meses.

© LIGO/Caltech/MIT (ilustração da fusão de dois buracos negros)

Apesar dos EUA estarem passando por temperaturas frias, o tremor não foi provocado pelo ar gelado daquela manhã de inverno. Em vez disso, foi o estremecimento do próprio espaço-tempo, gerado pela fusão de dois grandes buracos negros no Universo distante: uma onda gravitacional tinha viajado pela Terra, passando sucessivamente por dois detectores.

Os pesquisadores do LIGO rapidamente determinaram que os buracos negros estavam a cerca de 3 bilhões de anos-luz da Terra quando colidiram, tornando esta fusão a mais distante já observada.

Desde esta detecção, chamada GW170104, os cientistas do LIGO também determinaram que os dois buracos negros envolvidos na fusão tinham mais ou menos 19 vezes e 32 vezes a massa do Sol. Nota-se que, com estas massas, os objetos constituem uma população "nova" de buracos negros com massas previamente desconhecidas antes da primeira detecção do LIGO. O buraco negro que resultou da fusão tem uma massa estimada em mais ou menos 49 vezes a massa do Sol.

Quando os buracos negros coalesceram, o equivalente a 2 sóis, da massa dos buracos negros, foi convertido em pura energia de ondas gravitacionais!

Além disso, toda esta energia foi liberada num piscar de olhos, uns meros 0,12 segundos. No momento da sua colisão, os buracos negros orbitavam-se um ao outro a uma velocidade equivalente a seis-décimos da velocidade da luz!

Antes de se fundirem, os dois buracos negros caberiam em esferas com aproximadamente 115 e 190 km de diâmetro, respectivamente. O buraco negro resultante ocuparia uma esfera com mais ou menos 280 km de diâmetro! Sendo que o nosso Sol tem 1,4 milhões de quilõmetros em diâmetro.

© LIGO/Caltech/MIT (fusão de buracos negros detectados)

O LIGO descobriu uma nova população de buracos negros com massas maiores do que já havia sido visto nos estudos de raios X (roxos). As três detecções confirmadas pelo LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) e uma menor detecção (LVT151012) apontam para uma população de buracos negros binários de massa estelar que, uma vez fundidos, são maiores que 20 massas solares, acima do que era conhecido antes. A detecção GW150914 resultou num buraco negro com 62 massas solares e a GW151226 com 21 massas solares.

A análise adicional dos dados mostrou que este evento também está de acordo com as previsões da relatividade geral, formulada por Albert Einstein há mais de 100 anos.

Apesar da estupenda energia liberada pela colisão dos buracos negros, a detecção de ondas gravitacionais é excessivamente difícil, pois os efeitos que exercem sobre os instrumentos do LIGO são incompreensivelmente pequenos. Esta última onda fez com que o espaço-tempo ocupado pelos braços do LIGO esticassem e diminuíssem um atômetro (1x10^-18 metros). Este valor é 1.000 vezes menor do que um próton!

Dado quão insignificantemente pequenos são estes efeitos, como é que podemos ter a certeza de que esta foi uma verdadeira detecção de ondas gravitacionais e não apenas um estremecimento coincidente em ambos os observatórios?

Uma das primeiras coisas que a equipe determinou foi se o sinal, que apareceu quase simultaneamente nos detectores em Hanford, Washington e Livingston, na Louisiana, era apenas um acaso, nada tendo a ver com ondas gravitacionais oriundas do espaço. Estudando o sinal, ou seja, a sua forma e tempos de chegada em ambos os detectores, e observando quão "ruidosos" os interferômetros eram no momento da deteção, os pesquisadores do LIGO calcularam que as hipóteses de alguns bits de "ruído" aleatório, mas quase idênticos, assemelharem-se com ondas gravitacionais em ambos os instrumentos, ao mesmo tempo, era de 1 em 70.000 anos! Por outras palavras, é extremamente improvável que os sinais detectados em ambos os interferômetros tenham sido provocados por rajadas de ruído casual.

A existência de eventos "ambientais" que podiam ter produzido estes sinais também foi analisada, tais como: tempestades, flutuações da rede elétrica, sinais de rádio, ruído acústico e sísmico, e muitos outros sinais dentro dos próprios instrumentos, verificando se por acaso ocorreram distúrbios externos quase simultâneos. Nenhum foi encontrado.

Depois de analisarem os dados, os cientistas do LIGO determinaram uma certeza de 99,997% de que o sinal recebido foi produzido no Universo distante pela colisão de dois buracos negros. Por outras palavras, podemos dizer com bastante confiança de que o LIGO detectou, efetivamente, um terceiro par de buracos negros em colisão!

Enquanto o LIGO continua detectando ondas gravitacionais da fusão de buracos negros, os observadores eletromagnéticos ainda esperam detectar algo emanado durante os eventos de ondas gravitacionais. Para ajudar a esta tarefa, o LIGO associou-se com 77 observatórios espalhados por todo o mundo (incluindo dois em órbita), para que possam também procurar algum sinal eletromagnético.

Após este último evento, nada foi observado, tal como nas duas detecções anteriores, mas tal fato não é surpreendente por duas grandes razões.

Em primeiro lugar, os buracos negros são "negros" porque nenhuma luz lhes escapa, mesmo quando colidem uns com os outros, assim que não esperamos ver luz oriunda dos próprios buracos negros. Embora os buracos negros não emitam luz, caso alguma matéria "normal", como por exemplo material estelar remanescente de uma supernova, seja apanhada na fusão, poderá aparecer um flash ou um brilho de luz, e os remanescentes podem brilhar durante algum tempo. A análise desta luz podia render informações incrivelmente valiosas sobre o evento, especialmente, quão distante foi a colisão.

Em segundo lugar, com apenas dois detectores na sua rede, ainda não fornecem exatamente onde procurar. Nesta última detecção, a área do céu que se determinou que podia ter abrigado os buracos negros é de 1.200 graus quadrados. É uma área do céu equivalente a 6.000 Luas Cheias. E tendo em conta que não sabemos quanto tempo o brilho de um evento que gerou ondas gravitacionais pode durar, a pesquisa em todas as localizações possíveis é crítica.

A situação mudará drasticamente quando o Virgo, o detetor europeu, voltar ao funcionamento lá mais para o fim do ano. Com pelo menos três interferômetros para detectarem ondas gravitacionais, será possível localizar a fonte das ondas de modo parecido ao que as torres de comunicações utilizam para determinar a localização de um telefone celular.

Até agora, mesmo sem a capacidade de identificar a fonte, o LIGO tem a certeza de ter captado outro evento da última fração de segundo das vidas de dois buracos negros massivos, no momento em que se fundiram um com o outro, há cerca de 3 bilhões de anos. Esta última deteção é um bom presságio para o futuro do LIGO e para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais, pois o observatório busca melhorar ainda mais a sua sensibilidade à medida que outros interferômetros de ondas gravitacionais espalhados pelo mundo se juntam à busca.

Um novo artigo foi aceito para publicação no periódico Physical Review Letters.

Fonte: California Institute of Technology

Chandra encontra evidências de violenta fusão estelar

As explosões de raios gama, ou GRBs, são alguns dos eventos mais violentos e energéticos no Universo. Embora esses eventos são as explosões mais luminosas do Universo, um novo estudo usando o observatório de raios X Chandra da NASA, o satélite Swift da NASA e outros telescópios sugere que pode estar em falta a maioria dessas poderosas explosões cósmicas.

© NASA/CXC/M.Weiss (explosão de raios gama)

Os astrônomos acreditam que algumas GRBs são o produto da colisão e fusão de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. A nova pesquisa dá a melhor evidência até agora de que tais colisões irão gerar um jato muito estreito de raios gama. Se este jato não está apontado em direção à Terra, a GRB produzida pela colisão não será detectada.

Colisões entre duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e buracos negros são fortes fontes de ondas gravitacionais que podem ser detectadas. Portanto, este resultado tem implicações importantes para o número de eventos que serão detectáveis ​​pelo Gravitational-Wave Observatory Laser interferometria (LIGO) e outros observatórios de ondas gravitacionais.

Em 3 de Setembro de 2014, o observatório Swift da NASA captou uma GRB, denominada GRB 140903A, designação devido à data em que foi detectada. Os cientistas usaram observações ópticas com o observatório Gemini, no Havaí, para determinar que a GRB 140903A foi localizada em uma galáxia a cerca de 3,9 bilhões de anos luz de distância.

O grande painel no gráfico é uma ilustração que mostra as consequências da fusão de uma estrela de nêutrons, incluindo a geração de um GRB. No centro está um objeto compacto, um buraco negro ou uma estrela de nêutrons massiva, e em vermelho é um disco de material que sobrou da fusão, que contém material que cai em direção ao objeto compacto. A energia emanada deste material colapsando impulsiona o jato da GRB mostrado em amarelo. Em laranja é um vento de partículas soprando longe do disco e em azul é o material ejetado do objeto compacto e expandindo com velocidades muito altas de cerca de um décimo da velocidade da luz.

A imagem à esquerda dos dois painéis menores mostra uma vista óptica do Telescópio Discovery Channel (DCT) com GRB 140903A no meio e uma imagem de raios X obtida pelo Chandra à direita. A estrela brilhante no óptico está relacionada com a GRB.

A explosão de raios gama durou menos de dois segundos. Cerca de três semanas após a descoberta pelo Swift da GRB 140903A, uma equipe de pesquisadores liderada por Eleonora Troja, da Universidade de Maryland, College Park (UMD), observou o rescaldo da GRB em raios X com Chandra. Observações do Chandra de como a emissão de raios X a partir desta GRB diminui ao longo do tempo fornecem informações importantes sobre as propriedades do jato.

Especificamente, os pesquisadores descobriram que o jato é irradiado em um ângulo de apenas cerca de cinco graus baseado nas observações de raios X, além de observações ópticas com o observatório Gemini e do DCT e observações de rádio com o Karl G. Jansky Very Large Array. Isto é aproximadamente equivalente a um círculo com o diâmetro de seus três dedos do meio realizada no comprimento dos braços. Isto significa que os astrônomos estão detectando apenas cerca de 0,4% deste tipo de GRB quando se apaga, uma vez que na maioria dos casos o jato não estará apontado diretamente para nós.

Estudos anteriores por outros astrônomos haviam sugerido que estas fusões poderiam produzir jatos estreitos. No entanto, as provas nesses casos não era tão forte porque o rápido declínio da luz não foi observada em vários comprimentos de onda, permitindo explicações que não envolvem jatos.

Várias evidências vinculam este evento para a fusão de duas estrelas de nêutrons, ou entre uma estrela de nêutrons e buracos negros. Estes incluem as propriedades de emissão de raios gama, a velhice e a baixa taxa de estrelas se formando na galáxia hospedeira da GRB e a falta de uma supernova brilhante. Em alguns casos anteriores forte evidência para esta ligação não foi encontrada.

Novos estudos têm sugerido que essas fusões poderiam ser o local de produção de elementos mais pesados ​​que o ferro, tais como o ouro. Portanto, a taxa desses eventos também é importante para estimar a quantidade total de elementos pesados ​​produzidos por estas fusões e compará-los com os valores observados na Via Láctea.

Um artigo descrevendo estes resultados foi recentemente aceito para publicação no Astrophysical Journal.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Ondas gravitacionais são detectadas no Universo

Após uma série de rumores nos últimos meses, um consórcio internacional de cientistas, integrado por pesquisadores do Brasil, do projeto LIGO (Laser Interferometer Gravitacional-wave Observatory), confirmou ter obtido a primeira detecção direta de ondas gravitacionais geradas pela colisão e fusão de dois buracos negros.

© Ames Research Center/PRL (simulações numéricas das ondas gravitacionais)

A imagem acima mostra simulações numéricas das ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros. Os contornos coloridos em torno de cada buraco negro representam a amplitude da radiação gravitacional, as linhas azuis representam as órbitas dos buracos negros e, as setas verdes, suas rotações.

As ondas gravitacionais são oscilações do espaço-tempo que foram previstas há um século pelo físico Albert Einstein.

A existência de ondas gravitacionais foi demonstrada pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor Jr. e colegas. Taylor e Russell Hulse descobriram, em 1974, um sistema binário composto por um pulsar em órbita de uma estrela de nêutrons. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram, em 1982, que a órbita do pulsar estava diminuindo ligeiramente ao longo do tempo devido à libertação de energia sob a forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e pela demonstração que tornaria possível esta medição de onda gravitacional em particular, Hulse e Taylor receberam o Prêmio Nobel da Física em 1993.

A nova descoberta do LIGO é a primeira observação das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição dos pequenos distúrbios que as ondas fazem no espaço e no tempo à medida que passam através da Terra.

Usando detectores gêmeos do projeto LIGO, situados um em Livingston, em Louisiana, e o outro em Hanford, em Washington, nos Estados Unidos, a três mil quilômetros de distância um do outro, os pesquisadores afirmaram ter observado, pela primeira vez, ondas gravitacionais a partir de um evento cataclísmico, denominado GW 150914, em uma galáxia distante mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra.

As ondas gravitacionais foram detectadas em 14 de setembro de 2015, às 6h51 no horário de Brasília, pelos detectores do LIGO. A última tomada de dados terminou agora em janeiro e a análise completa deverá ser publicada em abril.

Os pesquisadores afirmaram que as ondas gravitacionais foram produzidas durante os momentos finais da fusão de dois buracos negros que giraram um em torno do outro, como dois piões, irradiando energia como ondas gravitacionais. Estas ondas gravitacionais têm um som característico, chamado de sinal sonoro, que pode ser usado para medir as massas de dois objetos. Após girarem em torno um do outro, os dois buracos negros se fundiram em um único e mais massivo buraco negro em rotação.

Estima-se que a energia de pico liberada sob a forma de ondas gravitacionais durante os momentos finais da fusão dos buracos negros foi dez vezes maior do que a luminosidade combinada de todas as galáxias no Universo observável.

Os buracos negros têm apenas 150 quilômetros de diâmetro, mas um com 29 e outro com 36 vezes a massa do Sol. Quando se fundem há uma grande explosão de ondas gravitacionais. A energia despendida na geração das ondas gravitacionais detectadas explica porque o buraco negro resultante da fusão ficou com 62 vezes a massa do Sol, três sóis a menos do que a soma dos dois originais.

Causadas por alguns dos fenômenos mais violentos do Cosmos, como colisões e fusões de estrelas massivas compactas, a existência das ondas gravitacionais foi prevista por Einstein, em 1915, em sua Teoria da Relatividade Geral.

O cientista postulou que objetos massivos acelerados distorciam o espaço-tempo, produzindo mudanças no campo gravitacional que se deslocam para fora da massa e viajam à velocidade da luz através do Universo, levando informações sobre suas origens, além de pistas valiosas sobre a natureza da própria gravidade. Estas ondas gravitacionais têm amplitude um milhão de vezes menor do que o diâmetro de um próton e chegam à Terra com uma amplitude muito pequena.

Para tentar detectar e localizar fontes de ondas gravitacionais, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como interferometria a laser, que utiliza detectores distantes entre si para medir as diferenças das observações. Por intermédio dos detectores do LIGO, que foram desenvolvidos e são operados pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) e o California Institute of Technology (Caltech), ambos dos Estados Unidos, foi possível observar as ondas gravitacionais produzidas pela colisão e fusão de dois buracos negros há cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra que foram convertidas em trechos de som.

Na próxima campanha de observação do LIGO, que começará nos próximos meses, também haverá a participação de outro detector de ondas gravitacionais, o italiano VIRGO.

Um artigo intitulado “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger” foi publicado na revista Physical Review Letters. Os pesquisadores devem publicar nos próximos meses mais doze outros resultados da colaboração.

Uma publicação elaborada em conjunto pela Astronomy e Discovery referente ao centenário das ondas gravitacionais pode ser vista a seguir.

 

Fonte: Astronomy & Discovery

Em busca das ondas gravitacionais

Há cem anos, Albert Einstein declarava que o universo é atravessado pelas chamadas 'ondas gravitacionais'.

© Max Planck Institute for Gravitational Physics/W.Benger (ilustração de ondas gravitacionais)

As ondas gravitacionais são ecos produzidos pela expansão inicial do Universo, responsáveis por modulações no espaço e no tempo. Supostamente, essas ondas podem ajudar-nos a conhecer melhor fenômenos como os buracos negros. Mas tudo isto é ainda teórico, porque continuamos à procura de provas da sua existência.

No entanto, Paul McNamara da Agência Espacial Europeia (ESA), fala com convicção: "As ondas gravitacionais vêm de todo o Universo. Atravessam as estrelas, as galáxias, a Terra, tudo."E Michèle Heurs, professora na Universidade Leibniz, em Hanover, recorre a imagens para falar do assunto: "Se eu for atingida por uma onda gravitacional, posso tornar-me mais alta e estreita, ou mais larga e achatada, mas em proporções ínfimas."

A questão está em finalmente conseguir detectá-las e comprovar a teoria. Por isso, foram construídos sistemas de elevadíssima precisão para tentar identificar estas remotas modulações. Um deles encontra-se em Hanover, o GEO600. "Ele tem braços que se estendem ao longo de 600 metros para um lado e para o outro. Numa vala existe um tubo de vácuo onde se ativam feixes de laser de alta intensidade", explica Karsten Danzmann, diretor do "Instituto Albert Einstein", em Hanover.

A experiência consiste em medir a diferença relativa no comprimento dos dois feixes de laser. Uma onda gravitacional provocaria uma ligeira, mas mensurável, alteração nos dois raios. Nas expectativas, não há relatividade: se estas ondas forem identificadas, será uma revolução no mundo da astronomia.

Segundo Michèle Heurs, "é uma outra janela para o Universo. Até agora, as observações fazem-se através de ondas eletromagnéticas e neutrinos. As ondas gravitacionais representam uma forma completamente diferente de olhar para o Universo, que não assenta na emissão do que pensamos ser luz."

"A única forma de radiação que um buraco negro emite é gravitacional. Isto porque um buraco negro distorce o espaço e o tempo à sua volta, criando modulações que se propagam e nos vêm contar exatamente o que aconteceu", remata Karsten Danzmann.

Se quisermos multiplicar as possibilidades de detetar estas ondas, temos de ir rumo ao espaço. Por isso, a ESA está criando um módulo sem paralelo, o LISA Pathfinder, que será lançado por volta de outubro deste ano.

Paul McNamara, coordenador do projeto na ESA, conta que começou a trabalhar nos detectores espaciais de ondas gravitacionais há 21 anos.

Na verdade, o LISA Pathfinder não vai medir ondas gravitacionais. Vai sim testar a tecnologia para o fazer, que assenta em dois cubos de ouro platinado que flutuam livremente no interior do módulo para registar as mais pequenas alterações. Se funcionar, amplia-se a magnitude da missão, com três naves alinhadas através de lasers.

"Depois do LISA Pathfinder, lançamos as outras duas naves e iremos posicioná-las a 5 milhões de quilômetros de distância. Cada módulo terá um cubo e nós medimos a distância entre eles", complementa McNamara.

Karsten Danzmann não hesita em realçar que "todo o Universo interage através da gravidade. Nós esperamos que as ondas gravitacionais nos permitam descobrir o lado obscuro do cosmo. Ninguém sabe o que vamos encontrar."

Fonte: ESA

As ondas gravitacionais permanecem elusivas

Apesar de relatos anteriores de uma possível detecção, a análise conjunta de dados do satélite Planck da ESA e das experiências terrestres BICEP2 e Keck Array não encontraram provas conclusivas de ondas gravitacionais primordiais.

© ESA/Planck (orientação do campo magnético galáctico)

Esta imagem mostra uma região do céu do hemisfério sul e tem por base observações efetuadas pelo satélite Planck da ESA em micro-ondas e em comprimentos de onda submilimétricos. A escala de cores representa a emissão da poeira, um componente menor mas crucial do meio interestelar que permeia a Via Láctea. A textura, por sua vez, indica a orientação do campo magnético galáctico.
É baseado em medições da direção da luz polarizada emitida pela poeira. A emissão de poeira é mais forte no plano da Galáxia (topo da imagem), mas que não pode ser negligenciada nas outras regiões do céu. A pequena nuvem visível em vermelho, na direção do canto superior direito do campo BICEP2, mostra a emissão da poeira da Pequena Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da Via Láctea.

O Universo começou há cerca de 13,8 bilhões de anos e evoluiu a partir de um estado extremamente quente, denso e uniforme até ao cosmos rico, complexo e repleto de galáxias, estrelas e planetas que vemos hoje em dia.

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (em inglês, Cosmic Microwave Background, ou CMB) é uma extraordinária fonte de informações sobre a história do Universo, o legado da radiação emitida apenas 380.000 anos após o Big Bang.

O satélite Planck da ESA observou este pano de fundo em todo o céu numa precisão sem precedentes e uma ampla variedade de novas descobertas acerca do início do Universo já foram reveladas ao longo dos últimos dois anos.

Mas os astrônomos "escavam" cada vez mais fundo na esperança de explorar ainda mais para trás no tempo: estão à procura de uma assinatura específica da "inflação" cósmica, uma breve expansão acelerada que, segundo a teoria atual, o Universo sofreu quando tinha apenas uma minúscula fração de segundo.

Esta assinatura seria permeada por ondas gravitacionais, pequenas perturbações no tecido do espaço-tempo que podem ter sido geradas durante a fase inflacionária.

Curiosamente, estas perturbações deveriam deixar uma marca em outra característica da radiação cósmica de fundo: a sua polarização. Quando as ondas de luz vibram preferencialmente numa certa direção, dizemos que a luz é polarizada.

A CMB é polarizada, exibindo um arranjo complexo pelo céu. Isto surge a partir da combinação de dois padrões básicos: circulares e radiais (conhecidos como modos-E) e encaracolados ou torcidos (modos-B).

Vários fenômenos do Universo produzem ou modos-E ou modos-B em diferentes escalas angulares e a identificação das várias contribuições requer medições extremamente precisas. Os modos-B podem conter o incrediente da inflação no início do Universo.

"A procura deste registo único do Universo muito jovem é tão difícil quanto emocionante, uma vez que o sinal sutil está escondido na polarização da CMB, que por si só representa apenas uma pequena percentagem da luz total," afirma Jan Tauber, cientista do projeto Planck da ESA.

O Planck não está sozinho nesta pesquisa. No início de 2014, uma outra equipe de astrõnomos apresentou resultados baseados em observações da radiação cósmica de fundo polarizada numa pequena zona de céu realizadas entre 2010 e 2012 com o telescópio BICEP2, uma experiência localizada no Pólo Sul. A equipe também usou dados preliminares de outra experiência no Pólo Sul, o Keck Array.

Encontraram algo novo: modos-B encaracolados na polarização observada ao longo de zonas do céu poucas vezes maiores que a Lua Cheia.

A equipe BICEP2 apresentou evidências privilegiando a interpretação de que este sinal era originário de ondas gravitacionais primordiais, o que provocou uma resposta enorme na comunidade acadêmica e no público em geral.

No entanto, a poeira interestelar na Via Láctea pode produzir um efeito semelhante. A Via Láctea é permeada por uma mistura de gás e poeira que brilha a frequências semelhantes àquelas da CMB e esta emissão em primeiro plano afeta a observação da luz cósmica mais antiga. É necessária uma análise muito cuidadosa a fim de separar a emissão, no plano da frente, da emissão do fundo cósmico. Criticamente, a poeira interestelar também emite luz polarizada, afetando assim a polarização da CMB.

"Quando detectamos pela primeira vez este sinal nos nossos dados, contamos com os modelos da emissão de poeira galáctica disponíveis no momento," afirma John Kovac, pesquisador principal do BICEP2 na Universidade de Harvard, EUA. "Estes pareciam indicar que a região do céu escolhida para as nossas observações tinham uma polarização de poeira muito mais baixa do que o sinal detectado."

As duas grandes experiências terrestres recolheram dados numa única frequência de micro-ondas, tornando difícil a separação das emissões oriundas da Via Láctea das do fundo cósmico.

Por outro lado, o Planck observou o céu em nove canais de frequência de micro-ondas e sub-milimétricos, sete dos quais também foram equipados com detectores sensíveis à polarização. Com uma análise meticulosa, estes dados multifrequência podem ser usados para separar as várias contribuições.

A equipe BICEP2 escolheu um campo onde acreditavam que a emissão de poeira seria baixa e, portanto, interpretaram o sinal como provavelmente cosmológico.

No entanto, assim que os mapas da emissão polarizada da poeira galáctica foram divulgados pelo Planck, ficou claro que esta contribuição de primeiro plano podia ser maior do que o anteriormente esperado.

Em Setembro de 2014 o Planck revelou pela primeira vez que a emissão polarizada da poeira é significativa ao longo de todo o céu e comparável com o sinal detectado pela experiência BICEP2 mesmo nas regiões mais limpas.

Assim, as equipes do Planck e da experiência BICEP2 uniram forças, combinando a capacidade do satélite para lidar com primeiros planos usando observações em diversas frequências, incluindo aquelas onde a emissão de poeira é mais forte, com a maior sensibilidade das experiências terrestres sobre áreas limitadas do céu, graças à sua tecnologia recentemente melhorada. Nesse momento, a gama completa de dados do Keck Array para 2012 e 2013 já estavam também disponíveis.

"Este trabalho conjunto mostrou que a deteção dos modos-B primordiais já não é robusta após a remoção da emissão da poeira galáctica," afirma Jean-Loup Puget, pesquisador principal do instrumento HFI do Planck e do Institut d’Astrophysique Spatiale em Orsay, França. "Por isso, infelizmente, não fomos capazes de confirmar que o sinal é um traço da inflação cósmica."

Outra fonte de polarização de modos-B, que remonta ao início do Universo, foi detectada neste estudo, mas em escalas muito menores no céu.

Este sinal, descoberto pela primeira vez em 2013, não é uma exploração direta da fase inflacionária, é induzido pela teia cósmica de estruturas gigantescas que povoam o Universo e que mudam o percurso dos fótons da CMB no seu caminho até nós.

Este efeito é chamado de "lente gravitacional", uma vez que é provocado por objetos maciços que dobram o espaço circundante e assim desviam a trajetória da luz como uma lupa. A detecção deste sinal com o Planck, BICEP2 e Keck Array, é o mais forte até agora.

Quanto aos sinais do período de inflação, a questão permanece em aberto.

"Embora ainda não tenhamos encontrado fortes evidências do sinal de ondas gravitacionais primordiais nas melhores observações da polarização da CMB atualmente disponíveis, isso não significa que temos que excluir a inflação," explica Reno Mandolesi, pesquisador principal do instrumento LFI do Planck e da Universidade de Ferrara, Itália.

De fato, o estudo conjunto estabelece um limite máximo para a quantidade de ondas gravitacionais da inflação, que podem ter sido criadas no momento mas a um nível demasiado baixo para serem confirmadas com esta análise.

"Este estudo mostra que o número de ondas gravitacionais pode, provavelmente, não ser mais do que metade do sinal observado," afirma Clem Pryke, pesquisador principal da experiência BICEP2 na Universidade de Minnesota, EUA.

"O novo limite superior para o sinal devido a ondas gravitacionais é compatível com o limite superior que obtivemos anteriormente com o Planck usando as flutuações de temperatura da CMB," comenta Brendan Crill, membro das equipes do Planck e da BICEP2 no JPL da NASA.

Fonte: ESA