Nova fonte de ondas gravitacionais é observada

Colaborações de 60 observatórios em diferentes países, incluindo o Brasil, fazem a primeira observação eletromagnética da fusão de duas estrelas de nêutrons que gerou ondas gravitacionais

Elton Alisson  |  Agência FAPESP – A contribuição para a detecção de ondas gravitacionais rendeu aos físicos norte-americanos Rainer Weiss, Barry Barish e Kip S. Thorne o prêmio Nobel de Física deste ano. Agora, um grupo de mais de 3 mil astrônomos, incluindo 60 do Brasil, conseguiu observar pela primeira vez em luz visível uma fonte dessas oscilações do espaço-tempo previstas por Albert Einstein (1879-1955) há um século.

O grupo, do qual faz parte o trio ganhador do Nobel, anunciou em um artigo publicado nesta segunda-feira (16/10) em The Astrophysical Journal ter feito as primeiras observações, em várias bandas eletromagnéticas, de uma fusão de duas estrelas de nêutrons – corpos celestes extremamente densos originados a partir da implosão do núcleo de estrelas gigantes.

O evento gerou ondas gravitacionais registradas pelo Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais (LIGO, em inglês), nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália, em agosto deste ano. É a primeira vez que se detecta luz associada a um evento de onda gravitacional. 

A descoberta também foi descrita em outro artigo em The Astrophysical Journal Letters por um grupo de 55 astrônomos, sendo 17 do Brasil, vinculados aos Institutos de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) e de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP), do Observatório Nacional (ON) e das universidades federais de Sergipe (UFS), de Santa Catarina (UFSC) e do Rio de Janeiro (UFRJ).

Os pesquisadores brasileiros participaram do estudo em colaboração com colegas dos Estados Unidos, Argentina, Chile, Espanha e Alemanha por meio de observações feitas com o telescópio robótico T80-Sul, construído com apoio da FAPESP e instalado no Observatório Internacional de Cerro Tololo, no Chile.

“É a primeira vez que se obteve a contrapartida óptica [identificação de um objeto em luz visível] de um evento de ondas gravitacionais. As quatro detecções de ondas gravitacionais anteriores foram feitas a partir de colisões e fusões de buracos negros, que não emitem radiação eletromagnética e, por conta disso, não foi possível ter a contrapartida do visível do evento que as gerou”, disse Claudia Lucia Mendes de Oliveira, professora do IAG-USP e uma das autoras do estudo, à Agência FAPESP.

Desde o anúncio em fevereiro de 2016 da primeira detecção de ondas gravitacionais geradas pela colisão e fusão de dois buracos negros pela colaboração LIGO, astrônomos em vários países, atuantes em diferentes faixas do espectro eletromagnético (rádio, visível, raios X e raios gama), têm tentado obter a contrapartida eletromagnética de um evento gerador de ondas gravitacionais.

A atenção deles para essa possibilidade foi redobrada com um alerta emitido em 17 de agosto deste ano pelos observatórios LIGO e Virgo de que uma fusão de estrelas de nêutrons poderia ter gerado ondas gravitacionais registradas por seus detectores.

O evento teria ocorrido em um ponto da galáxia chamada NGC 4993, localizada na constelação austral de Hidra, a 130 milhões de anos-luz da Terra. A emissão de ondas gravitacionais pelas estrelas de nêutrons em fusão ocorreu cerca 2 segundos antes da observação de um jato de raios gama detectado pelo telescópio espacial Fermi, da Nasa, a agência espacial dos Estados Unidos.

A partir desse conjunto de pistas, astrônomos participantes de colaborações em 60 observatórios, situados em diferentes partes do mundo, começaram a fazer uma varredura de uma grande área do céu – equivalente a, aproximadamente, 60 luas cheias –, em todo o espectro eletromagnético, a fim de identificar um objeto cuja emissão visível ou brilho estivesse caindo. Chamado transiente óptico, o objeto poderia ter sido produzido por uma fusão de estrelas de nêutrons.

Uma equipe de astrônomos usuários do telescópio Swope, situado no Observatório de Las Campanas, no Chile, foi a primeira a reportar a detecção do o transiente óptico menos de 11 horas após a fusão das estrelas de nêutrons.

Poucos minutos depois da detecção do transiente óptico pelo telescópio chileno, outras cinco equipes vinculadas a outros telescópios também anunciaram tê-lo encontrado de forma independente.

“Recebemos a informação da detecção do transiente óptico na galáxia NGC 4993 em 18 de agosto. E, como o T80-Sul é um telescópio autônomo, que pode ser apontado para uma nova fonte em alguns segundos, conseguimos prontamente fazer as observações do objeto em três filtros, conhecidos como filtros G, R e I”, disse Oliveira.

Há mais de 20 pesquisadores vinculados ao Observatório Pierre Auger que participaram das observações descritas no primeiro artigo, que reúne mais de 3 mil autores. Os pesquisadores da colaboração Auger fizeram uma busca por neutrinos vindos da direção da galáxia NGC 4993 - onde ocorreram as ondas gravitacionais -, mas não encontraram esse tipo de partícula.

"O fato de não termos observado neutrinos vindos da direção da NGC 4993 também é importante para a compreensão do fenômeno observado", disse Carola Dobrigkeit, professora no Instituto de Física da Unicamp e uma das autoras do artigo.  

Eventos cataclísmicos

De acordo com os pesquisadores, as observações do transiente óptico em todos os comprimentos de onda sustentam a hipótese de que o objeto foi produzido pela fusão de duas estrelas de nêutrons. As estrelas foram localizadas na região da galáxia NGC 4993 – justamente onde foram detectadas as ondas gravitacionais detectadas pelos observatórios LIGO e Virgo.

Durante a fusão das estrelas de nêutrons – que deve corresponder a eventos conhecidos como quilonova, segundo os pesquisadores – ocorreu uma explosão de raios gama de curta duração e emissão de radiação eletromagnética devido à decomposição de íons pesados gerados por processos R (processo de captura rápida de nêutrons) durante a fusão, explicaram os pesquisadores.

“Sabíamos que existiam esses objetos, mas não sabemos muito sobre eles. Com as novas observações é possível medir o processo R e estimar a quantidade de elementos formados para comparar com modelos”, disse Oliveira.

As observações também possibilitarão responder muitas perguntas sobre as próprias estrelas de nêutrons. Estrelas mortas, que não produzem mais energia interna por fusão nuclear, as estrelas de nêutrons correspondem a um dos possíveis estágios finais da vida de uma estrela de alta massa. Elas são criadas quando estrelas com massas maiores a oito vezes a massa do Sol sofrem uma explosão de supernova – um evento astronômico que ocorre durante os estágios finais da evolução de algumas estrelas, caracterizado por uma explosão muito brilhante.

“As estrelas de nêutrons têm propriedades físicas especiais, e quando elas se fundem ocorrem processos nucleares a altas energias que ainda não conseguimos entender bem. Essas observações podem fornecem mais informações para compreendermos melhor esses processos”, disse outro autor do estudo, Alberto Molino Benito, que realiza pós-doutorado no IAG com Bolsa da FAPESP.

O artigo Multi-messenger observations of a binary neutron star merger, de B. P. Abbott e outros, pode ser lido no Astrophysical Journal Letters em http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9. 

O artigo Observations of the first electromagnetic counterpart to a gravitational wave source by the Toros Collaboration pode ser lido no site do Astrophysical Journal Letters em http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9060. 

Leia mais sobre o assunto em entrevista com Odylio Denys de Aguiar, pesquisador titular do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) e coordenador da participação do Instituto na Colaboração Científica LIGO: http://agencia.fapesp.br/26347.