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.
Imagem: eso1733a
Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Em 17 de agosto de 2017, o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) do NSF nos Estados Unidos da América, 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 [1]. 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 de NGC 4993, uma galáxia lenticular na constelação da Hidra (ou Cobra Fêmea), e as observações do VISTA localizaram esta fonte no infravermelho praticamente na mesma altura. 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.
“Há aquelas ocasiões raras em que um cientista se depara com a oportunidade de testemunhar uma nova era se iniciando,” disse Elena Pian, astrônoma no INAF, na Itália, e autora principal de um dos artigos publicados na Nature. “Esta é uma dessas ocasiões!”
O ESO lançou uma das suas maiores campanhas de observação de “alvo de oportunidade” e muitos telescópios do ESO e com parceria do ESO observaram o objeto nas semanas que se seguiram à detecção [2]. 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) [3] 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 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 [4].
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 desse 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 [5]. 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, 1000 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.
“Quando o espectro apareceu nas telas, percebi que se tratava do evento transiente mais incomum que já tinha observado,” comentou Stephen Smartt, que liderou as observações com o NTT do ESO no âmbito do extenso programa de observação ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects). “Nunca tinha visto nada assim. Os nossos dados, em conjunto com os dados de outros grupos, mostraram que esta não é uma supernova ou uma estrela variável situada em primeiro plano, mas sim algo verdadeiramente notável.”
Os espectros do ePESSTO 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.
“Os dados que temos até agora ajustam muitíssimo bem à teoria. Trata-se de um triunfo para os teóricos, uma confirmação de que os eventos LIGO-Virgo são absolutamente reais e de uma conquista para o ESO, por ter conseguido juntar um conjunto tão surpreendente de dados sobre a quilonova,” acrescenta Stefano Covino, autor principal de um dos artigos na Nature Astronomy.
“A grande força do ESO consiste em dispôr de uma vasta gama de telescópios e instrumentos para estudar os grandes projetos astronômicos complexos num curto espaço de tempo. Entramos numa nova era da astronomia multi-mensageira!” conclui Andrew Levan, autor principal de um dos artigos científicos.
Notas
[1] A detecção LIGO-Virgo situou a fonte numa área do céu de cerca de 35 graus quadrados.
[2] A galáxia pôde ser observada em agosto somente no começo da noite, tendo em setembro ficado muito próxima do Sol no céu para poder ser observada.
[3] No VLT as observações foram obtidas com: o espectrógrafo X-shooter montado no Telescópio Principal 2 (UT2); o FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) e o Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO) montados no Telescópio Principal 1 (UT1); o VIsible Multi-Object Spectrograph (VIMOS) e o VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared (VISIR) no Telescópio Principal 3 (UT3); e o Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) e High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) no Telescópio Principal 4 (UT4). O VST observou com a OmegaCAM e o VISTA usou a VISTA InfraRed CAMera (VIRCAM). No âmbito do programa ePESSTO, o NTT colectou espectros ópticos com o espectrógrafo ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 (EFOSC2) e espectros infravermelhos com o espectrógrafo Son of ISAAC (SOFI). O telescópio MPG/ESO de 2,2 metros observou com o instrumento Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector (GROND).
[4] A distância comparativamente pequena entre a Terra e as estrelas de nêutrons coalescentes, 130 milhões de anos-luz, tornou possível as observações, uma vez que estrelas de nêutrons em fusão dão origem a ondas gravitacionais mais fracas que buracos negros em fusão, que provavelmente são a origrm das quatro primeiras detecções de ondas gravitacionais.
[5] 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.
Mais Informações
Este trabalho foi apresentado numa série de artigos científicos publicados nas revistas Nature, Nature Astronomy e Astrophysical Journal Letters.
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O ESO é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronômico mais produtivo do mundo. O ESO é financiado por 16 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Holanda, Itália, Polônia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia e Suíça, assim como pelo Chile, o país de acolhimento. O ESO destaca-se por levar a cabo um programa de trabalhos ambicioso, focado na concepção, construção e operação de observatórios astronômicos terrestres de ponta, que possibilitam aos astrônomos importantes descobertas científicas. O ESO também tem um papel importante na promoção e organização de cooperação na investigação astronômica. O ESO mantém em funcionamento três observatórios de ponta no Chile: La Silla, Paranal e Chajnantor. No Paranal, o ESO opera o Very Large Telescope, o observatório astronômico óptico mais avançado do mundo e dois telescópios de rastreio. O VISTA, o maior telescópio de rastreio do mundo que trabalha no infravermelho e o VLT Survey Telescope, o maior telescópio concebido exclusivamente para mapear os céus no visível. O ESO é um parceiro principal no ALMA, o maior projeto astronômico que existe atualmente. E no Cerro Armazones, próximo do Paranal, o ESO está a construir o European Extremely Large Telescope (E-ELT) de 39 metros, que será “o maior olho do mundo virado para o céu”.
O LIGO é financiado pela NSF e operado pelo Caltech e MIT, que conceberam o LIGO e lideraram os projetos LIGO Inicial e Avançado. O apoio financeiro para o projeto LIGO Avançado foi liderado pela NSF com a Alemanha (Max Planck Society), o Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) e a Austrália (Australian Research Council) a dar apoio e contribuições significativas ao projeto. Mais de 1200 cientistas de todo o mundo participaram neste esforço através da Colaboração Científica LIGO, que inclui a Colaboração GEO. Parceiros adicionais encontram-se listados em http://ligo.org/partners.php.
A colaboração Virgo consiste em mais de 280 físicos e engenheiros pertencentes a 20 diferentes grupos europeus de pesquisa: seis do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) em França; oito do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália; dois do Nikhef na Holanda; MTA Wigner RCP na Hungria; grupo POLGRAW na Polônia; Universidade de Valencia na Espanha e o European Gravitational Observatory, EGO, o laboratório que acolhe o detector Virgo perto de Pisa na Itália, financiado pelo CNRS, INFN e Nikhef.
