Fusão de estrelas de nêutrons é observada em luz e ondas gravitacionais

Pesquisa histórica mobilizou dezenas de observatórios terrestres e espaciais — o resultado foi um dos eventos astrofísicos mais bem documentados de todos os tempos

Ao longo dos últimos dois meses, dezenas de observatórios na Terra e no espaço se uniram em uma colaboração intensa e silenciosa para desenvolver um estudo sem precedentes na história da astrofísica. Os resultados promissores deste formidável esforço internacional acabam de ser divulgados, no início da tarde desta segunda-feira (16/10).

QUILONOVA: FUSÃO DE ESTRELAS DE NÊUTRONS LIBERA ONDAS GRAVITACIONAIS E EMISSÕES EM TODAS AS FAIXAS DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO (FOTO: ESO/L. CALÇADA/M. KORNMESSER)

Fusão de estrelas de nêutrons é observada em luz e ondas gravitacionais

Em múltiplas conferências, comunicados à imprensa e artigos científicos, equipes do mundo todo anunciaram uma descoberta de importância histórica: pela primeira vez, astrônomos do observatório Ligo, nos Estados Unidos, em parceria com o detector europeu Virgo, captaram ondas gravitacionais originadas a partir do encontro de duas estrelas de nêutrons.

O anúncio vem poucos dias após os criadores do Ligo, Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, terem ganho o Nobel de Física de 2017. Prova de que o projeto não apenas ganhou maturidade, como também já ocupa um papel central da pesquisa astronômica do século 21.

Assim que souberam que a fusão estava ocorrendo, os cientistas do Ligo alertaram colegas em cerca de 70 observatórios diferentes para que apontassem seus telescópios para lá — e coletassem dados em luz visível e nas mais diversas faixas do espectro eletromagnético. Foi a primeira vez que um evento cósmico cataclísmico pôde ser estudado nos mínimos detalhes a partir de dois mensageiros distintos: as ondas gravitacionais e os fótons.

“Esta detecção abriu verdadeiramente as portas para uma nova maneira de fazer astrofísica”, diz em comunicado Laura Cadonati, porta-voz da Colaboração Científica Ligo, que reúne mais de 1,2 mil cientistas de vários países. “Espero que seja lembrado como um dos eventos astrofísicos mais estudados na história.” Até hoje, os pesquisadores haviam conseguido fazer quatro detecções de ondas gravitacionais — todas vindas da fusão de buracos negros. Mas já estava mais do que na hora de explorar outros fenômenos.

Densas e compactas
Buracos negros possuem três características imprescindíveis: são muito pesados (ou “massivos”); são os objetos mais compactos do Universo (concentrando toda sua massa em um espaço muito menor do que a cabeça de um alfinete); e em seu estágio final de fusão, eles orbitam na frequência ideal para serem detectados.

Um dos poucos objetos, além dos buracos negros, que trazem essa combinação são as fusões de estrelas de nêutrons. Não se sabe de nenhuma outra estrela tão densa e compacta: elas podem ter até três vezes a massa do Sol espremida em uma esfera de 20 quilômetros de diâmetro.

São tão densas que uma mísera colher de chá de sua substância pesa um bilhão de toneladas. “Estrelas de nêutrons são o que sobra depois da explosão de uma supernova”, explica o astrônomo Thiago Gonçalves, da UFRJ. Ou seja, são um dos dos possíveis estágios finais da vida de uma estrela.

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Quando a estrela perde seu combustível e para de realizar as reações nucleares que a sustentam, ela colapsa sobre o seu próprio peso. “Quando é uma estrela muito pesada, com dezenas de vezes a massa do Sol, ela vira um buraco negro. Se é menor, ela vira uma estrela de nêutrons”, diz Gonçalves. Assim, são os nêutrons que sustentam o corpo, produzindo um intenso campo magnético e girando muito rápido, várias vezes por segundo.

Por serem muito densas, quando se fundem, essas estrelas emitem não só ondas gravitacionais, mas também raios X e gama. “Esse evento é tão rico, nos informa sobre modelos detalhados do funcionamento interno das estrelas de nêutrons e das emissões que elas produzem, até a física mais fundamental, como a relatividade geral”, diz David Shoemaker, porta-voz da Colaboração Científica Ligo e pesquisador sênior do MIT.

Tais dados podem até ajudar a explicar mistérios duradouros da astrofísica, como a matéria escura ou mesmo a teoria da gravitação quântica — uma chave importante para resolver a briga entre a física quântica e a relatividade geral — entenda aqui. “É um presente que continuaremos recebendo”, diz Shoemaker.

Dança cataclísmica
Com massas estimadas entre 1,1 e 1,6 vezes a massa do Sol, os objetos se fundiram em uma galáxia não tão distante há 130 milhões de anos — época em que dinossauros corriam soltos por aqui e que o colorido das flores ainda era uma novidade na paisagem da Terra.

A gravidade monstruosa os aproximava cada vez mais e, conforme espiralavam, torciam e retorciam o espaço-tempo ao redor como se ele fosse uma gelatina. Nos últimos 100 segundos antes de as duas estrelas se esmagarem por completo e virarem um único objeto ultradenso, a dança liberou uma quantidade insana de energia sob a forma de poderosas ondas gravitacionais.

Os humanos do Ligo e do Virgo batizaram este sinal de GW170817: ele foi detectado pelos interferômetros na América e na Europa às 9:41 (horário de Brasília) da manhã do dia 17 de agosto. Dois segundos depois, o telescópio espacial Fermi, da Nasa, registrou uma rajada curta de raios gama vinda da mesma direção do céu — mais um indício de que a violenta explosão que os astrônomos chamam de quilonova havia, de fato, ocorrido.


Agulha no palheiro
“Foi aí que a coisa ficou mesmo animada”, diz Marcelle Soares dos Santos, astrofísica e única brasileira a participar da coletiva de imprensa desta segunda (16) do Ligo. Nos Estados Unidos desde 2010, primeiro como pesquisadora no Fermilab e, desde agosto, como professora de física da Universidade Brandeis, Santos faz parte do Dark Energy Survey, levantamento que estuda o papel da energia escura na expansão acelerada do Universo. Ela colaborou em um dos 70 grupos que observaram o fenômeno.

Encontrá-lo não foi tarefa simples: mesmo com a segunda participação do Virgo em detecções de ondas gravitacionais, que permite uma triangulação mais precisa para localizar a fonte emissora, ainda assim as coordenadas emitidas cobrem uma área relativamente grande do céu. “É como procurar uma agulha em um palheiro.”

Santos explica que estava em Chicago quando recebeu do Ligo o alerta sobre o fenômeno, por volta das 6 horas da manhã do dia 17 de agosto. Durante todo aquele dia, sua equipe planejou as observações que seriam feitas assim que anoitecesse. Não eram os únicos: vários grupos repetiam o mesmo processo mundo afora.

Quase ficção científica
Quando os telescópios entraram em ação, não demorou até que relatos promissores começassem a estourar feito pipoca na caixa de e-mail da colaboração. “Dentro de 15 minutos, teve três notas independentes de pessoas que viram e falaram: ‘olha, olha aqui, tem alguma coisa interessante”, conta, empolgada, a astrofísica. “Foi muito legal, um negócio de outro mundo.”

Assim como muitos de seus colegas, a cientista diz ter sido pega de surpresa por se ver envolvida em uma pesquisa desta magnitude. “Não imaginava que a gente ia conseguir fazer uma descoberta desse tipo tão cedo, pensava que seria um evento bem distante, fraquinho e que não conseguiríamos comprovar até ter umas 3 ou 4 detecções”, afirma. “Mas aconteceu tudo de uma vez e num intervalo de tempo muito curto — o que acabou criando toda essa atmosfera de quase ficção científica.”

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Em uma tacada só, os cientistas comprovaram que as rajadas curtas de raios gama são mesmo fruto da fusão e estrelas de nêutrons. E também conseguiram solucionar um mistério que durou décadas: elementos pesados como chumbo, ouro e platina são mais abundantes no Universo do que o previsto. Ficou provado que o excesso é sintetizado pelas condições extremas das quilonovas.

“Com essas observações, a gente consegue medir a taxa de formação desses elementos e confirmar que, nesse local, ela está ocorrendo de maneira bem forte”, diz Santos. Mas o que realmente anima a astrofísica são as oportunidades de pesquisa que começam a se delinear em sua área de especialidade: a cosmologia, que reconstrói a origem do cosmos e traça sua evolução.

União de esforços
Atualmente, os pesquisadores usam a radiação eletromagnética das supernovas para calcular a expansão do Universo — chamada de constante de Hubble. Conforme mais eventos como este forem sendo acumulados, isso vai gerar estatísticas mais confiáveis e permitir medidas gravitacionais da expansão cósmica, totalmente independentes do estudo com supernovas. É justamente esse tipo de refinamento que costuma levar a descobertas revolucionárias.

A mobilização de astrônomos do mundo inteiro, com interesses e telescópios diferentes, que normalmente não colaborariam entre si, foi o que mais impressionou Santos. Estavam todos no mesmo barco. “Foi fascinante, uma coisa bem de comunidade mesmo”, diz.

Ela ressalta o fato de o artigo principal, que resume todas as observações, publicado no The Astrophysical Journal Letters, conter mais de 3 mil autores (60 dos quais brasileiros, participantes de quatro grandes experimentos internacionais). “Não é um recorde mundial de autores por artigo, o pessoal lá do LHC já bateu esse recorde, mas para a nossa comunidade é um recorde e uma coisa bem única.”

Pesquisadores no Brasil (membros do LIGO) contribuindo na descoberta
Existem dois grupos no Brasil, que participam oficialmente da Colaboração Científica LIGO. O primeiro deles está na Divisão de Astrofísica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos (SP), órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações e Comunicações e conta com seis membros: Professor Dr. Odylio Denys Aguiar, Dr. César Augusto Costa, Dr. Márcio Constâncio Jr, Me. Elvis Camilo Ferreira, Allan Douglas dos Santos Silva, Marcos André Okada e Tábata Aira Ferreira.

O grupo do INPE, dirigido por Odylio Aguiar e César Costa, trabalha no aperfeiçoamento da instrumentação de isolamento vibracional e térmica do LIGO, na sua futura operação com espelhos resfriados. O principal objetivo, através disso, é aumentar a sensibilidade dos detectores a fim de observar mais fontes de ondas gravitacionais. Além disso, o grupo trabalha na caracterização dos detectores, buscando determinar as suas fontes de ruído e a minimização dos seus efeitos nos dados coletados, permitindo que sinais de ondas gravitacionais fortes sejam mais facilmente localizados.

O outro grupo está localizado no Instituto Internacional de Física, na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) em Natal (RN). O grupo, dirigido pelo Professor Dr. Riccardo Sturani, trabalha na modelagem e análise dos dados na busca de sinais emitidos por sistemas de dois objetos astrofísicos em coalescência, dos tipos dos três detectados pelo LIGO. A modelagem é particularmente importante porque as ondas gravitacionais têm interação muito fraca com toda a matéria, tornando necessárias, além de detectores de alto desempenho, técnicas de análises eficazes e uma modelagem teórica dos sinais o mais precisa possível.

Marina Trad Nery, brasileira na colaboração científica LIGO, participa de uma instituição alemã (Albert Einstein Institute).

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