ondas gravitacionais

Ligo e Virgo anunciam quatro novas detecções

O LIGO e o Virgo detectaram uma nova população de buracos negros com massas maiores do que as já observadas apenas com estudos em raios-X (roxo). Este gráfico mostra as massas de todas 10 fusões de buracos negros binários já detectadas confiavelmente pelo LIGO/Virgo (azul). Também mostra estrelas de neutrões com massas conhecidas (amarelo) e a massas dos componentes da fusão de estrelas de neutrões GW170817 (laranja).
Crédito: LIGO/Virgo/Universidade Northwestern/Frank Elavsky

No passado sábado, dia 1 de Dezembro, os cientistas que participaram no workshop de Física e Astronomia de Ondas Gravitacionais em College Park, no estado norte-americano de Maryland, apresentaram novos resultados dos detectores de ondas gravitacionais LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e do europeu Virgo, no que toca às suas pesquisas por objectos cósmicos coalescentes, como pares de buracos negros e pares de estrelas de neutrões. As colaborações LIGO e Virgo detectaram confiavelmente ondas gravitacionais de um total de 10 fusões binárias de buracos negros de massa estelar e uma fusão de estrelas de neutrões, que são os remanescentes esféricos e densos de explosões estelares. Seis dos eventos de fusão de buracos negros já tinham sido divulgados, sendo que quatro são novos.

Entre 12 de Setembro de 2015 e 19 de Janeiro de 2016, durante a primeira campanha de observação do LIGO desde que sofreu actualizações num programa de nome Advanced LIGO, foram detectadas ondas gravitacionais de 3 fusões de buracos negros binários. A segunda campanha de observação, que durou de 30 de Novembro de 2016 a 25 de Agosto de 2017, resultou numa fusão de estrelas de neutrões binárias e sete novas fusões binárias de buracos negros, incluindo quatro novos eventos de ondas gravitacionais agora divulgados. Os novos eventos são conhecidos como GW170729, GW170809, GW170818 e GW170823, em referência às datas em que foram detectados.

Todos os eventos estão incluídos num novo catálogo, também lançado no sábado, com alguns dos eventos quebrando recordes. Por exemplo, o novo evento GW170729, detectado na segunda campanha de observação no dia 29 de Julho de 2017, é a mais massiva e distante fonte de ondas gravitacionais já observada. Nesta coalescência, que ocorreu há mais ou menos 5 mil milhões de anos, uma energia equivalente a quase cinco massas solares foi convertida em radiação gravitacional.

GW170814 foi a primeira fusão binária de buracos negros medida pela rede de três detectores e permitiu os primeiros testes de polarização de ondas gravitacionais (análoga à polarização da luz).

O evento GW170817, detectado três dias após GW170814, representa a primeira vez que foram observadas ondas gravitacionais a partir da fusão de um sistema composto por duas estrelas de neutrões. Além do mais, esta colisão foi vista tanto em ondas gravitacionais como no espectro electromagnético, marcando um excitante novo capítulo na astronomia multi-mensageira, em que os objectos cósmicos são observados simultaneamente em diferentes tipos de radiação.

Um dos novos eventos, GW170818, que foi detectado pela rede global formada pelos observatórios LIGO e Virgo, foi localizado no céu com muita precisão. A posição dos buracos negros binários, localizados a 2,5 mil milhões de anos-luz da Terra, foi identificada no céu com uma precisão de 39 graus quadrados. Isto torna-o na mais bem localizada fonte de ondas gravitacionais após a fusão das estrelas de neutrões do evento GW170817.

Albert Lazzarini do Caltech e vice-director do Laboratório LIGO, diz: “a divulgação de mais quatro fusões binárias de buracos negros diz-nos mais sobre a natureza da população destes sistemas binários e restringe melhor a taxa de ocorrência para estes tipos de eventos.”

“Em apenas um ano, o LIGO e o Virgo, trabalhando juntos, têm avançado dramaticamente a ciência das ondas gravitacionais e a taxa de descoberta sugere que os achados mais espectaculares ainda estão por vir,” comenta Denise Caldwell, directora da Divisão de Física da NSF. “Os feitos do LIGO da NSF e dos seus parceiros internacionais são uma fonte de orgulho para a agência e esperamos avanços ainda significativos quando a sensibilidade do LIGO ficar maior no próximo ano.”

“A próxima campanha de observações, que terá início na primavera de 2019, deverá render muitos mais candidatos a ondas gravitacionais e a ciência que a comunidade pode realizar vai crescer de acordo,” comenta David Shoemaker, porta-voz da Colaboração Científico do LIGO e investigador sénior do Instituto Kavli para Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “É um momento incrivelmente emocionante.”

“É gratificante ver as novas capacidades que se tornam disponíveis através da adição do Advanced Virgo à rede global,” comenta Jo van den Brand de Nikhef (Instituto Nacional Holandês de Física Subatómica) e da Universidade VU de Amesterdão, porta-voz da colaboração Virgo. “A nossa precisão altamente melhorada vai permitir que os astrónomos encontrem rapidamente outros mensageiros cósmicos emitidos pelas fontes de ondas gravitacionais.” Esta capacidade de apontamento da rede LIGO-Virgo é possível graças à exploração dos atrasos de tempo da chegada do sinal nos diferentes locais e dos chamados padrões de antena dos interferómetros.

“O novo catálogo é mais uma prova da exemplar colaboração internacional da comunidade de ondas gravitacionais e um trunfo para as próximas campanhas de observação e actualizações,” acrescenta Stavros Katsanevas, director do EGO.

Os artigos científicos que descrevem estas novas descobertas, colocados inicialmente no repositório arXiv de pré-publicações electrónicas, apresentam informações detalhadas na forma de um catálogo de todas as detecções de ondas gravitacionais e eventos candidatos das duas campanhas de observação, bem como descrevem as características da população de fusões de buracos negros. Mais notavelmente, descobriram que quase todos os buracos negros formados a partir de estrelas têm uma massa inferior a 45 vezes a do Sol. Graças ao processamento mais avançado de dados e a uma melhor calibração dos instrumentos, a precisão dos parâmetros astrofísicos dos eventos anunciados anteriormente aumentou consideravelmente.

Laura Cadonati, vice-porta-voz da Colaboração Científica LIGO, diz: “Estas novas descobertas só foram possíveis graças ao trabalho incansável e cuidadosamente coordenado dos comissários dos detectores em todos os três observatórios e aos cientistas em todo o mundo responsáveis pela qualidade e limpeza dos dados, que procuram sinais ocultos, e à estimativa dos parâmetros para cada candidato – cada uma especialidade científica que requer enorme conhecimento e experiência.”

Astronomia On-line
7 de Dezembro de 2018

ONDAS GRAVITACIONAIS PODEM EM BREVE FORNECER MEDIÇÃO DA EXPANSÃO DO UNIVERSO

Cientistas da Universidade de Chicago estimam, com base na primeira deteção de uma colisão de duas estrelas de neutrões pelo LIGO, que podem ter uma medição extremamente precisa da velocidade de expansão do Universo dentro de 5 a 10 anos.
Crédito: Robin Dienel/Instituto Carnegie

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

A determinação da taxa exacta de expansão, chamada constante de Hubble, em honra ao famoso astrónomo 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 neutrões, forneceu uma terceira forma de calcular a constante de Hubble.

Esse foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas num novo estudo publicado no dia 17 de Outubro na revista Nature, três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, dada a rapidez com que os investigadores viram a primeira colisão entre estrelas de neutrões, 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 perspectiva inteiramente nova do Universo,” comenta o autor Daniel Holz, professor de física na Universidade de Chicago que foi co-autor do primeiro cálculo do género aquando da descoberta de 2017. “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 para lá da Via Láctea, estas pareciam estar a afastar-se de nós – e que quanto mais distante a galáxia, mais rápido estava a retroceder. Esta é uma pedra fundamental da teoria do Big Bang e iniciou uma busca de quase um século pela taxa exacta a que isto ocorre.

Para calcular a taxa de expansão do Universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância até um objecto distante; o outro é quão rápido o objecto 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 astrónomos há mais de um século que usam este truque para ver a velocidade com que um objecto se move – é como o efeito Doppler, no qual uma sirene muda de tom quando a ambulância passa por nós.

Grandes questões nos cálculos

Mas obter uma medida exacta 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 super-novas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam até ao objecto em questão. “O problema, é que para lá chegar, existem muitos passos com muitas suposições,” comenta Holz.

Talvez as super-novas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensa. Talvez estejamos a confundir alguns tipos de super-novas com outros, ou exista algum erro desconhecido nas nossas medições das distâncias até estrelas próximas. “Há muita astrofísica complicada que pode prejudicar as leituras de várias maneiras,” realça.

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 a expandir-se quase 10% mais depressa do que o outro. “Esta é uma grande questão da cosmologia,” afirma o autor principal do estudo, Hsin-Yu Chen, na altura estudante da Universidade de Chicago e agora membro da Iniciativa Black Hole da Universidade de Harvard.

Então os detectores do LIGO 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. “Foi uma espécie de constrangimento de riquezas,” comenta Holz.

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 esse sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e da energia das estrelas em colisão. Quando comparam essa 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, disse Holz. Juntamente com Scott Hughes do MIT, ele 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.

‘Só vai ficar mais interessante’

O artigo prevê que, assim que os cientistas tenham detectado 25 leituras de colisões de estrelas de neutrões, possam medir a expansão do Universo com uma precisão de 3%. Com 200 leituras, esse número diminui para 1%.

“Para mim foi uma grande surpresa quando entrámos nas simulações,” disse Chen. “Ficou claro que poderíamos alcançar precisão e que poderíamos alcançá-la rapidamente.”

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 lançar luz sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do Universo.

“Com a colisão que vimos no ano passado, tivemos sorte – estava perto de nós, foi relativamente fácil de encontrar e analisar,” comenta Maya Fishbach, estudante da Universidade de Chicago e outra autora do estudo. “As detecções futuras estarão muito mais distantes, mas assim que tivermos a próxima geração de telescópios, poderemos encontrar também contrapartes para essas detecções distantes.”

Está planeado que os detectores do LIGO comecem uma nova campanha de observações em Fevereiro de 2019, juntamente com os seus homólogos italianos no VIRGO. Graças a uma actualização, a sensibilidade dos detectores será muito maior – expandindo o número e distância de eventos astronómicos que podem captar.

“Só vai ficar mais interessante,” conclui Holz.

Astronomia On-line
26 de Outubro de 2018

TUDO EM FAMÍLIA: DETECTADO PARENTE DE FONTE DE ONDAS GRAVITACIONAIS

Um objecto de nome GRB 150101B, detectado originalmente como uma explosão de raios-gama pelo Telescópio Fermi da NASA em Janeiro de 2015, pode indicar uma fusão entre duas estrelas de neutrões. Esta imagem mostra dados do Observatório de raios-X Chandra (roxo nas inserções) em contexto com uma imagem óptica de GRB 150101B pelo Telescópio Espacial Hubble.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/GSFC/UMC/E. Troja et al.; óptico e infravermelho – NASA/STScI

Há cerca de um ano, os astrónomos relataram animadamente a primeira detecção de ondas electromagnéticas, ou luz, de uma fonte de ondas gravitacionais. Agora, um ano depois, investigadores estão a anunciar a existência de um parente cósmico desse acontecimento histórico.

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 objecto 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, noutros comprimentos de onda, mostram que GRB 150101B partilha semelhanças notáveis com a fusão de estrelas de neutrões 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 esses dois objectos separados podem, de facto, estar relacionados.

“É um grande passo, ir de um objecto detectado para dois,” comenta Eleonora Troja, autora principal do estudo, do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland e da Universidade de Maryland em College Park. “A nossa descoberta diz-nos que eventos como GW170817 e GRB 150101B podem representar uma nova classe de objectos em erupção que ligam e desligam raios-X e podem, na verdade, ser relativamente comuns.”

Troja e colegas pensam que tanto GRB 150101B como GW170817 foram provavelmente produzidos pelo mesmo tipo de evento: a fusão de duas estrelas de neutrões, uma coalescência que gerou um jacto estreito, ou feixe, de partículas altamente energéticas. O jacto produziu uma explosão curta e intensa de raios-gama (GRB), um flash de alta energia que pode durar apenas alguns segundos. GW170817 provou que esses 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 invulgarmente ténue, 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 milhares de milhões de anos e sem evidências de nova formação estelar.

“Temos um caso de semelhanças cósmicas,” comenta o co-autor Geoffrey Ryan da Universidade de Maryland em College Park. “Parecem iguais, agem da mesma maneira e vêm de vizinhanças semelhantes, de modo que a explicação mais simples é que pertencem à mesma família de objectos.”

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 jacto não apontando directamente para a Terra. A descoberta do objecto GRB 150101B representa apenas a segunda vez que os astrónomos 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. GW170817 está a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, enquanto GRB 150101B está a mais ou menos 1,7 mil milhões 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 objectos explosivos a distâncias ainda maiores do que o LIGO pode actualmente alcançar,” afirma o co-autor 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 quilo-nova, como visto em GW170817. Uma quilo-nova é uma explosão extremamente poderosa que não apenas liberta 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 astrónomos pensaram inicialmente que o equivalente era uma fonte de raios-X detectada pelo Swift no centro de uma galáxia, provavelmente de material a cair para um buraco negro super-massivo. 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 equipa não conhece as massas dos dois objectos que se fundiram. É possível que a fusão tenha ocorrido entre um buraco negro e uma estrela de neutrões, em vez de duas estrelas de neutrões.

“Precisamos de mais casos como GW170817 que combinam dados de ondas gravitacionais com electromagnéticos para encontrar um exemplo entre uma estrela de neutrões e um buraco negro. Essa detecção seria a primeira do tipo,” comenta o co-autor Hendrik Van Eerten da Universidade de Bath, no Reino Unido. “Os nossos resultados encorajaram-nos para encontrar mais fusões e para fazer uma tal detecção.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista Nature Communications e está disponível online.

Astronomia On-line
19 de Outubro de 2018

PODEM AS ONDAS GRAVITACIONAIS REVELAR QUÃO DEPRESSA O UNIVERSO ESTÁ A EXPANDIR-SE?

Visualização de uma simulação feita por um supercomputador da fusão de dois buracos negros que libertam ondas gravitacionais.
Crédito: NASA/C. Henze

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

Os astrónomos 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 exactamente quão depressa o Universo cresce. Esta informação, pensam os cientistas, pode lançar luz sobre as origens do Universo, bem como sobre o seu destino, se o cosmos se expandirá indefinidamente ou se acabará num colapso.

Agora, cientistas do 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 neutrões. À medida que estes objectos se aproximam um do outro, devem produzir ondas gravitacionais e um surto de luz quando finalmente colidirem.

Num artigo publicado na revista Physical Review Letters, os investigadores relatam que o flash 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 neutrões sejam incrivelmente raros, os investigadores 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.

“Os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de neutrões são sistemas muito complicados, dos quais sabemos muito pouco,” comenta Salvatore Vitale, professor assistente de física no MIT e autor principal do artigo científico. “Se detectarmos um, o prémio é que podem potencialmente dar uma contribuição dramática para a nossa compreensão do Universo.”

O co-autor de Vitale é Hsin-Yu Chen de Harvard.

Constantes concorrentes

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 super-novas. Ambos os objectos 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 electromagnética 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.

“É aí que o LIGO entra em jogo,” diz Vitale.

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

“As ondas gravitacionais fornecem uma maneira muito direta e fácil de medir as distâncias das suas fontes,” explica Vitale. “O que detectamos com o LIGO é uma impressão directa da distância até à fonte, sem nenhuma análise extra.”

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 neutrões. A colisão libertou uma quantidade enorme de ondas gravitacionais, que os investigadores usaram para determinar a distância do sistema à Terra. A fusão também libertou um flash de luz, que os astrónomos observaram 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 o Telescópio Espacial Hubble e o Planck.

Vitale diz que grande parte da incerteza deriva do facto de que pode ser difícil interpretar a distância de um binário de estrelas de neutrões a partir da Terra usando as ondas gravitacionais que este sistema em particular liberta.

“Nós medimos a distância observando quão ‘barulhenta’ é a onda gravitacional, ou seja, quão clara é nos nossos dados,” explica Vitale. “Se é muito clara, podemos ver quão barulhenta é e isso dá-nos a distância. Mas isso é apenas parcialmente verdade para os binários de estrelas de neutrões.”

Isto porque estes sistemas, que produzem um disco giratório de energia à medida que as duas estrelas de neutrões espiralam em direcção uma da outra, emitem ondas gravitacionais de maneira desigual. A maioria das ondas gravitacionais são disparadas para fora do centro do disco, enquanto uma fracção muito menor escapa pelos limites. Se os cientistas detectarem um sinal de uma onda gravitacional “barulhenta”, 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.

“Com os binários de estrelas de neutrões, é muito difícil distinguir entre essas duas situações,” realça Vitale.

Uma nova onda

Em 2014, antes do LIGO fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais, Vitale e colegas observaram que um sistema binário composto por um buraco negro e por uma estrela de neutrões poderia fornecer uma medição mais precisa da distância, em comparação com binários de estrelas de neutrões. A equipa estava a investigar a precisão com que se pode medir a rotação de um buraco negro, já que os objectos 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 neutrões e binários de estrelas de neutrões. Como subproduto deste esforço, a equipa notou que eram capazes de determinar com maior precisão a distância dos binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de neutrões, em comparação com os binários compostos por duas estrelas de neutrões. Vitale diz que isso deve-se à rotação do buraco negro em torno da estrela de neutrões, o que pode ajudar os cientistas a melhor identificar o local, no sistema, onde são emanadas as ondas gravitacionais.

“Graças a esta melhor medição de distância, pensei que os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de neutrões podiam ser uma sonda competitiva para medir a constante de Hubble,” explica Vitale. “Desde então, muito coisa aconteceu com o LIGO e com a descoberta de ondas gravitacionais, pelo que tudo isso foi colocado em segundo plano.”

Vitale voltou recentemente à sua observação original e, neste novo artigo, propôs responder a uma questão teórica:

“O facto de que todos os sistemas binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de neutrões me dão uma medição melhor da distância vai compensar o facto destes, potencialmente, existirem em números muito menores no Universo do que binários de estrelas de neutrões?”

Para responder a esta pergunta, a equipa realizou simulações para prever a ocorrência de ambos os tipos de sistemas binários no Universo, bem como a precisão das suas medições de distância. A partir dos seus cálculos, concluíram que mesmo que os sistemas binários de estrelas de neutrões superem os binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de neutrões por um factor de 50, este último tipo produziria uma constante de Hubble similar, em termos de precisão, em comparação com o primeiro.

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

“Até agora, os cientistas concentraram-se nas estrelas de neutrões binárias como forma de medir a constante de Hubble com ondas gravitacionais,” diz Vitale. “Nós mostrámos que há outro tipo de fonte de ondas gravitacionais que até agora não foi tão explorada: os buracos negros e as estrelas de neutrões que espiralam juntos. O LIGO começará a recolher dados novamente em Janeiro de 2019, e será muito mais sensível, o que significa que podemos ver objectos mais distantes. Assim sendo, o LIGO deverá ver pelo menos um binário constituído por um buraco negro e por uma estrela de neutrões, talvez no máximo 25, o que ajudará a resolver a tensão existente na medição da constante de Hubble, esperançosamente nos próximos anos.”

Astronomia On-line
13 de Junho de 2018

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EVENTO DE ONDAS GRAVITACIONAIS PROVAVELMENTE ASSINALOU A FORMAÇÃO DE UM BURACO NEGRO

Depois de duas estrelas separadamente explodirem como super-novas, dois núcleos ultra-densos (isto é, estrelas de neutrões) ficaram para trás. Estas duas estrelas de neutrões estavam tão perto uma da outra que a radiação de ondas gravitacionais puxou-as na direcção uma da outra até que se fundiram e colapsaram num buraco negro. A impressão de artista mostra uma parte fundamental do processo que formou este novo buraco negro, à medida que as duas estrelas de neutrões rodavam uma em torno da outra enquanto se fundiam. O material púrpura ilustra detritos da fusão.
Crédito: ilustração – CXC/M. Weiss; raios-X – NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.

A espectacular fusão de duas estrelas de neutrões que gerou ondas gravitacionais, anunciada no ano passado, provavelmente fez ainda outra coisa: deu azo a um buraco negro. Este buraco negro recém-formado será o buraco negro de menor massa já encontrado.

Um novo estudo analisou dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA obtidos nos dias, semanas e meses após a detecção das ondas gravitacionais pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) e raios-gama pela missão Fermi da NASA no dia 17 de Agosto de 2017.

Embora quase todos os telescópios à disposição dos astrónomos profissionais tenham observado esta fonte, conhecida oficialmente como GW170817, os raios-X do Chandra são cruciais para entender o que aconteceu depois da colisão entre as duas estrelas de neutrões.

A partir dos dados do LIGO, os astrónomos têm uma boa estimativa de que a massa do objecto resultante da fusão das estrelas de neutrões ronda as 2,7 massas solares. Isto coloca-o numa “corda bamba” de identidade, implicando que ou é a estrela de neutrões mais massiva alguma vez encontrada ou o buraco negro de massa mais baixa já descoberto. Os detentores anteriores do recorde para esta última categoria astronómica não têm menos que quatro ou cinco vezes a massa do Sol.

“Embora as estrelas de neutrões e os buracos negros sejam misteriosos, nós estudámos muitos por todo o Universo usando telescópios como o Chandra,” afirma Dave Pooley da Trinity University em San Antonio, no estado norte-americano do Texas, que liderou o estudo. “Isso significa que temos dados e teorias sobre o comportamento de tais objectos na gama dos raios-X.”

As observações do Chandra são reveladoras, não apenas pelo que mostraram, mas também pelo que não mostraram. Se o resultado da fusão das duas estrelas de neutrões fosse uma estrela de neutrões mais massiva, então os astrónomos esperariam que girasse rapidamente e produzisse um campo magnético muito forte. Isto, por sua vez, teria formado uma bolha de partículas altamente energéticas que resultaria numa emissão de raios-X brilhantes. Em vez disso, os dados do Chandra mostram níveis de raios-X que são várias magnitudes mais fracos do que o esperado para uma estrela de neutrões e para uma bolha associada de partículas de alta energia, sugerindo ao invés a formação de um buraco negro.

Se confirmado, este resultado mostra que uma receita para produzir um buraco negro às vezes pode ser complicada. No caso de GW170817, seriam necessárias duas explosões de super-nova para deixar para trás duas estrelas de neutrões numa órbita suficientemente íntima para a radiação de ondas gravitacionais unir as estrelas de neutrões.

“Podemos ter respondido a uma das perguntas mais básicas sobre este evento deslumbrante: o que é que produziu?” comenta o co-autor Pawan Kumar da Universidade do Texas em Austin. “Há muito tempo que os astrónomos suspeitam que as fusões de estrelas de neutrões formariam um buraco negro e produziriam pulsos de radiação, mas não possuíamos até agora evidências fortes.”

Uma observação do Chandra, dois a três dias após o evento, não conseguiu detectar uma fonte, mas observações subsequentes 9, 15 e 16 dias após o evento, resultaram em detecções. A fonte deslizou pouco tempo depois para trás do Sol, mas cerca de 110 dias após o evento o Chandra ainda continuou a observar um aumento de brilho, seguido por uma intensidade comparável em raios-X cerca de 160 dias depois.

Ao comparar as observações do Chandra com aquelas do VLA (Karl G. Jansky Very Large Array), Pooley e colaboradores explicam a emissão de raios-X observada como devida inteiramente à onda de choque – semelhante a um boom sónico de um avião supersónico – da fusão que esmagou o gás circundante. Não existem sinais de raios-X resultantes de uma estrela de neutrões.

A conclusão da equipa de Pooley pode ser testada por observações futuras em raios-X e no rádio. Se o remanescente for uma estrela de neutrões com um campo magnético forte, então a fonte deve ficar muito mais brilhante em raios-X e no rádio daqui a aproximadamente dois anos, quando a bolha de partículas altamente energéticas alcançar a onda de choque em desaceleração. Se for realmente um buraco negro, os astrónomos esperam que continue a ficar mais fraca do que o observado recentemente, à medida que a onda de choque enfraquece.

“GW170817 é um evento astronómico que continua a fornecer surpresas,” comenta J. Craig Wheeler, co-autor do estudo, também da Universidade do Texas. “Estamos a aprender muito sobre a astrofísica dos objectos mais densos conhecidos, somente com este único evento.”

Se as observações subsequentes descobrirem uma estrela de neutrões muito massiva, tal descoberta desafiará as teorias da estrutura das estrelas de neutrões e quão massivas podem ficar.

“No início da minha carreira, os astrónomos só podiam observar estrelas de neutrões e buracos negros na nossa própria Galáxia, e agora estamos a observar estes objectos exóticos em todo o cosmos,” comenta o co-autor Bruce Gossan da Universidade da Califórnia em Berkeley. “Que momento emocionante para estar vivo, para ver instrumentos como o LIGO e o Chandra a mostrarem tantas coisas excitantes que a natureza tem para oferecer.”

O artigo que descreve este resultado aparece na última edição da revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.

Astronomia On-line
5 de Junho de 2018

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Som das ondas gravitacionais pode dar pistas sobre novos buracos negros

Cientistas australianos desenvolveram um novo modelo de estudo das ondas gravitacionais que poderá ajudar a revelar a existência de buracos negros desconhecidos até então.

A cada minuto, buracos negros colidem entre si e é nesse choque que são libertadas as ondas gravitacionais. De acordo com os cientistas da Universidade de Monash, em Melbourne, na Austrália, a fusão das ondas gravitacionais produz um som inconfundível, porém, muito difícil de ser ouvido.

Foi esta espécie de zumbido que motivou os investigadores australianos a desenvolver uma forma de o ouvir, especialmente por acreditarem que este ruído pode revelar a existência de milhares de buracos negros desconhecidos até então.

Por ano, ocorrem mais de 100 mil eventos de ondas gravitacionais, porém são demasiado fracos para serem detectados por aparelhos já existentes. A equipa de Eric Thrane quis resolver este problema e, para isso, desenvolveu um mecanismo computorizado mais sensível de modo a que este zumbido possa ser ouvido, explica o Observador.

“Medir a fundo as ondas gravitacionais vai permitir-nos estudar populações de buracos negros que se encontram a longas distâncias. Um dia, a técnica vai permitir que vejamos as ondas gravitacionais do BigBang, escondidas atrás das ondas gravitacionais dos buracos negros e das estrelas de neutrões”, afirmou Thrane.

Este novo método é cerca de mil vezes mais sensível do que os anteriores. Segundo o cientista Rory Smith, co-autor do estudo publicado na Physical Review X, as melhorias deste mecanismo vão permitir detectar “aquilo que as pessoas têm procurado ao longo de várias décadas”.

O computador utilizado neste novo método chama-se OzSTAR e tem potencial para fazer “grandes descobertas na astronomia das ondas gravitacionais“.

O choque entre buracos negros que provoca uma agitação no espaço, mais conhecido como ondas gravitacionais, foi identificado por Albert Einstein há mais de um século e validado cientificamente em 2015.

ZAP //

Por ZAP
17 Abril, 2018

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Astrónomos detectam um novo tipo de ondas gravitacionais: “O princípio de uma nova era”

Segundo os cientistas, as novas emissões de radiação agora detectadas são consequência da fusão de duas estrelas de neutrões numa galáxia distante.

Uma equipa internacional anunciou esta segunda-feira ter conseguido ver através da luz e das ondas gravitacionais, simultaneamente, a fusão de duas estrelas de neutrões, dando “início a uma nova era” da observação do Universo.

Estas análises, realizadas a 17 de Agosto, “sugerem” que os sinais localizados são o resultado da fusão de duas estrelas de neutrões, um evento chamado “Kilonovas”, cuja existência foi descrita há 30 anos, mas que teve a primeira observação confirmada agora.

O Observatório Astral Europeu foi quem anunciou a descoberta. Em primeiro lugar, a descoberta supõe a detecção de uma quinta onda gravitacional, denominada GW170817 pelos especialistas, observada a 17 de Agosto graças à colaboração entre o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO), nos EUA, e o Interferómetro Virgo, em Itália.

Esta é a primeira onda gravitacional detectada cuja origem não é a colisão de buracos negros. Apenas dois segundos depois de observar a onda gravitacional, os satélites espaciais Fermi e Integral detectaram uma pequena explosão de raios gama.

Segundo a nota desta segunda-feira, tanto o sinal óptico como as ondas gravitacionais provinham da fusão de duas estrelas de neutrões, que se produziu a 130 milhões de anos-luz da Terra.

University of Warwick/Mark Garlick
Colisão de duas estrelas de neutrões

A comunidade científica encheu-se de especulações nas últimas semanas de que o LIGO tinha descoberto algo intrigante.

Os rumores começaram a tornar-se mais sérios depois de um astrónomo da Universidade do Texas ter tweetado “Novo LIGO” e ter feito referência a um componente óptico, o que poderia significar que se tinha encontrado algo além da fusão de dois buracos negros.

ZAP // RT / EFE