ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Pela primeira vez na história, os cientistas registraram ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons - objetos superdensos com a massa do nosso Sol e o tamanho de Moscou. A subsequente explosão de raios gama e a explosão de quilonova foram observadas por cerca de 70 observatórios terrestres e espaciais - eles foram capazes de ver o processo de síntese de elementos pesados ​​​​previsto por teóricos, incluindo ouro e platina, e confirmar a correção das hipóteses sobre a natureza das misteriosas explosões curtas de raios gama, informa o serviço de imprensa da colaboração LIGO/Virgo, Observatório Europeu do Sul e Observatório Los Cumbres. Os resultados observacionais podem lançar luz sobre e no Universo.

Na manhã de 17 de agosto de 2017 (às 8h41, horário da Costa Leste, quando eram 15h41 em Moscou), os sistemas automáticos de um dos dois detectores do observatório de ondas gravitacionais LIGO detectaram a chegada de uma onda gravitacional. onda do espaço. O sinal foi designado GW170817, a quinta vez que ondas gravitacionais foram detectadas desde que foram detectadas pela primeira vez em 2015. Apenas três dias antes, o observatório LIGO detectou pela primeira vez uma onda gravitacional juntamente com o projeto europeu Virgo.

Porém, desta vez, apenas dois segundos após o evento gravitacional, o telescópio espacial Fermi registrou um flash de raios gama no céu meridional. Quase no mesmo momento, o observatório espacial europeu-russo INTEGRAL viu o clarão.

Os sistemas automatizados de análise de dados do LIGO concluíram que a coincidência destes dois eventos é extremamente improvável. Durante a busca por informações adicionais, descobriu-se que o segundo detector LIGO também viu a onda gravitacional, mas não foi registrada pelo observatório gravitacional europeu Virgo. Astrônomos de todo o mundo foram colocados em alerta - muitos observatórios, incluindo o Observatório Europeu do Sul e o Telescópio Espacial Hubble, começaram a procurar a fonte das ondas gravitacionais e de uma explosão de raios gama.

Mudança no brilho e na cor da quilonova após a explosão

A tarefa não foi fácil - os dados combinados do LIGO/Virgo, Fermi e INTEGRAL permitiram delinear uma área de 35 graus quadrados - esta é a área aproximada de várias centenas de discos lunares. Apenas 11 horas depois, o pequeno telescópio Swope com espelho de um metro de comprimento localizado no Chile obteve a primeira imagem da suposta fonte - parecia uma estrela muito brilhante próxima à galáxia elíptica NGC 4993 na constelação de Hydra. Nos cinco dias seguintes, o brilho da fonte caiu por um fator de 20 e a cor mudou gradualmente de azul para vermelho. Todo esse tempo, o objeto foi observado por diversos telescópios nas faixas do raio X ao infravermelho, até que em setembro a galáxia ficou muito próxima do Sol e se tornou inacessível para observação.

Os cientistas concluíram que a origem da explosão estava na galáxia NGC 4993, a uma distância de cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra. Isto está incrivelmente próximo; até agora, as ondas gravitacionais chegaram até nós de distâncias de bilhões de anos-luz. Graças a esta proximidade pudemos ouvi-los. A fonte da onda foi a fusão de dois objetos com massas na faixa de 1,1 a 1,6 massas solares - só poderiam ser estrelas de nêutrons.

Foto da fonte das ondas gravitacionais - NGC 4993, um flash é visível no centro

VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO

A explosão em si “soou” por um longo tempo - cerca de 100 segundos; as fusões de buracos negros produziram explosões que duraram uma fração de segundo. Um par de estrelas de nêutrons girava em torno de um centro de massa comum, perdendo gradualmente energia na forma de ondas gravitacionais e aproximando-se uma da outra. Quando a distância entre eles foi reduzida para 300 quilômetros, as ondas gravitacionais tornaram-se poderosas o suficiente para cair na zona de sensibilidade dos detectores gravitacionais LIGO/Virgo. Quando duas estrelas de nêutrons se fundem em um objeto compacto (uma estrela de nêutrons ou um buraco negro), ocorre uma poderosa explosão de radiação gama.

Os astrônomos chamam essas explosões de raios gama de explosões curtas de raios gama; os telescópios de raios gama as detectam cerca de uma vez por semana. Se a natureza das explosões longas de raios gama for mais clara (suas fontes são explosões de supernovas), então não houve consenso sobre as fontes das explosões curtas. Havia a hipótese de que eles fossem gerados por fusões de estrelas de nêutrons.

Agora os cientistas conseguiram confirmar esta hipótese pela primeira vez, pois graças às ondas gravitacionais conhecemos a massa dos componentes fundidos, o que prova que se trata de estrelas de nêutrons.

“Durante décadas suspeitámos que curtas explosões de raios gama davam origem a fusões de estrelas de neutrões. Agora, graças aos dados do LIGO e do Virgo sobre este evento, temos a resposta. As ondas gravitacionais dizem-nos que os objetos em fusão tinham massas consistentes com estrelas de neutrões, e a explosão de raios gama diz-nos que é pouco provável que estes objetos sejam buracos negros, uma vez que a colisão de buracos negros não deveria produzir radiação," diz Julie McEnery, um cientista de projeto do Fermi Center NASA Goddard Space Flight.

Além disso, pela primeira vez, os astrónomos receberam uma confirmação inequívoca da existência de erupções de quilonovas (ou “macron”), que são cerca de 1000 vezes mais poderosas do que as erupções de novas comuns. Os teóricos previram que as quilonovas poderiam surgir da fusão de estrelas de nêutrons ou de uma estrela de nêutrons e um buraco negro.

Isso desencadeia o processo de síntese de elementos pesados, baseado na captura de nêutrons pelos núcleos (processo r), como resultado do surgimento de muitos dos elementos pesados, como ouro, platina ou urânio, no Universo.

Segundo os cientistas, uma única explosão de quilonova pode produzir uma enorme quantidade de ouro – até dez vezes a massa da Lua. Até agora, apenas uma vez foi observado um evento que.

Agora, pela primeira vez, os astrónomos conseguiram observar não só o nascimento de uma quilonova, mas também os produtos do seu “trabalho”. Os espectros obtidos com os telescópios Hubble e VLT (Very Large Telescope) mostraram a presença de césio, telúrio, ouro, platina e outros elementos pesados ​​formados durante a fusão de estrelas de nêutrons.

“Até agora, os dados que obtivemos estão em excelente concordância com a teoria. Isto é um triunfo para os teóricos, uma confirmação da realidade absoluta dos eventos registados pelos observatórios LIGO e Virgo, e um feito notável para o ESO, que conseguiu obter tais observações de uma quilonova,” afirma Stefano Covino, primeiro autor do um dos papéis em Astronomia da Natureza.

Os cientistas ainda não têm uma resposta para a questão do que resta após a fusão das estrelas de nêutrons - pode ser um buraco negro ou uma nova estrela de nêutrons. Além disso, não está totalmente claro por que a explosão de raios gama acabou ser relativamente fraco.

As ondas gravitacionais são ondas de vibrações na geometria do espaço-tempo, cuja existência foi prevista pela teoria geral da relatividade. Pela primeira vez, a sua detecção fiável foi reportada pela colaboração LIGO em Fevereiro de 2016 – 100 anos depois das previsões de Einstein. Você pode ler mais sobre o que são ondas gravitacionais e como elas podem ajudar a explorar o Universo em nossos materiais especiais - “” e “.

Alexandre Voytyuk

Em 17 de agosto de 2017, o observatório de ondas gravitacionais com interferômetro laser LIGO e o detector de ondas gravitacionais franco-italiano VIRGO registraram pela primeira vez ondas gravitacionais da colisão de duas estrelas de nêutrons. Cerca de dois segundos depois, o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama da NASA e o Laboratório INTEGRAL de Astrofísica de Raios Gama da ESA observaram uma curta explosão de raios gama, GRB170817A, na mesma área do céu.

“É raro um cientista ter a oportunidade de testemunhar o início de uma nova era na ciência. Este é um daqueles casos!" - disse Elena Pian do Instituto Astrofísico da Itália, autora de uma das publicações em Natureza artigos.

O que são ondas gravitacionais?

As ondas gravitacionais, criadas pelo movimento de massas, são marcadores dos eventos mais violentos do Universo e ocorrem quando objetos densos, como buracos negros ou estrelas de nêutrons, colidem.

A sua existência foi prevista em 1916 por Albert Einstein na sua Teoria Geral da Relatividade. Porém, só foi possível detectar ondas gravitacionais depois de cem anos, uma vez que apenas as mais poderosas dessas ondas, causadas por mudanças rápidas na velocidade de objetos muito massivos, podem ser registradas por receptores modernos.

Até hoje foram captados 4 sinais de ondas gravitacionais: três vezes o LIGO sozinho registrou as “ondulações” do espaço-tempo, e em 14 de setembro de 2017, pela primeira vez, as ondas gravitacionais foram captadas por três detectores ao mesmo tempo (dois LIGO detectores nos EUA e um detector VIRGO na Europa).

Os quatro eventos anteriores têm uma coisa em comum - todos são causados ​​​​pela fusão de pares de buracos negros, pelo que é impossível ver a sua origem. Agora tudo mudou.

Como observatórios ao redor do mundo “capturaram” a fonte das ondas gravitacionais

O trabalho conjunto do LIGO e do VIRGO permitiu posicionar a fonte das ondas gravitacionais dentro de uma vasta área do céu meridional, do tamanho de várias centenas de discos da Lua cheia, contendo milhões de estrelas. Mais de 70 observatórios ao redor do mundo, assim como o Telescópio Espacial Hubble da NASA, começaram a observar esta região do céu em busca de novas fontes de radiação.

A primeira mensagem sobre a descoberta de uma nova fonte de luz veio 11 horas depois do telescópio medidor Swope. Descobriu-se que o objeto estava muito próximo da galáxia lenticular NGC 4993, na constelação de Hidra. Quase ao mesmo tempo, a mesma fonte foi detectada pelo telescópio VISTA do ESO no infravermelho. À medida que a noite avançava para oeste em todo o globo, o objeto foi observado nas ilhas havaianas pelos telescópios Pan-STARRS e Subaru, e a sua rápida evolução foi notada.

O flash da colisão de duas estrelas de nêutrons na galáxia NGC 4993 é claramente visível nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble. Observações realizadas de 22 a 28 de agosto de 2017 mostram como ela desapareceu gradativamente. Crédito: NASA/ESA

As estimativas da distância do objeto a partir de dados de ondas gravitacionais e de outras observações produziram resultados consistentes: GW170817 está à mesma distância da Terra que a galáxia NGC 4993, a 130 milhões de anos-luz de distância. Isso a torna a fonte de ondas gravitacionais mais próxima já descoberta de nós e uma das fontes de explosão de raios gama mais próximas já observadas.

Quilonova misteriosa

Depois que uma estrela massiva explode como uma supernova, ela fica para trás com um núcleo superdenso e colapsado: uma estrela de nêutrons. As fusões de estrelas de nêutrons também explicam em grande parte as explosões curtas de raios gama. Acredita-se que este evento seja acompanhado por uma explosão mil vezes mais brilhante que uma nova típica – a chamada quilonova.

Uma representação artística da colisão de duas estrelas de nêutrons na galáxia NGC 4993, produzindo uma explosão de quilonova e ondas gravitacionais. Crédito: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser

“Isso é diferente de tudo! O objeto rapidamente tornou-se incrivelmente brilhante e depois começou a desaparecer rapidamente, passando de azul para vermelho. Isto é incrível! " – diz Ryan Foley, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz (EUA).

A detecção quase simultânea de ondas gravitacionais e raios gama de GW170817 aumentou as esperanças de que esta fosse a tão procurada quilonova. Observações detalhadas utilizando os instrumentos do ESO e o Telescópio Espacial Hubble revelaram de facto propriedades deste objeto muito próximas das previsões teóricas feitas há mais de 30 anos. Assim, foi obtida a primeira confirmação observacional da existência de quilonovas.

Ainda não está claro que tipo de objeto foi criado pela fusão de duas estrelas de nêutrons: um buraco negro ou uma nova estrela de nêutrons. Uma análise mais aprofundada dos dados deverá responder a esta questão.

A fusão de duas estrelas de nêutrons e a explosão de uma quilonova liberam elementos químicos radioativos pesados, voando a um quinto da velocidade da luz. Ao longo de alguns dias – mais rápido do que qualquer outra explosão estelar – a cor da quilonova muda de azul brilhante para muito vermelho.

“Os dados que obtivemos estão em excelente concordância com a teoria. Isto é um triunfo para os teóricos, uma confirmação da realidade absoluta dos eventos registados pelas instalações LIGO e VIRGO, e um feito notável do ESO, que conseguiu obter observações da quilonova,” afirma Stefano Covino do Instituto Astrofísico de Itália , autor de um dos artigos publicados em Astronomia da Natureza artigos.

Alguns dos elementos ejetados para o espaço quando duas estrelas de nêutrons se fundem. Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Os espectros obtidos pelos instrumentos montados no Very Large Telescope do ESO revelam a presença de césio e telúrio ejetados para o espaço por fusões de estrelas de nêutrons. Estes e outros elementos pesados ​​são dispersos no espaço após explosões de quilonovas. Assim, as observações indicam a formação de elementos mais pesados ​​que o ferro durante reações nucleares no interior de objetos estelares superdensos. Este processo, denominado r-nucleossíntese, era anteriormente conhecido apenas em teoria.

A importância da descoberta

A descoberta marcou o início de uma nova era na cosmologia: agora podemos não apenas ouvir, mas também ver os eventos que geram as ondas gravitacionais! No curto prazo, a análise dos novos dados permitirá aos cientistas obter uma compreensão mais precisa das estrelas de neutrões e, no futuro, as observações de eventos semelhantes ajudarão a explicar a expansão contínua do Universo, a composição da energia escura e a origem dos elementos mais pesados ​​do cosmos.

A pesquisa que descreve a descoberta é apresentada em uma série de artigos de periódicos Natureza, Astronomia da Natureza E Cartas de diários astrofísicos.

Imediatamente em todas as faixas do espectro, uma vantagem é registrar as ondas gravitacionais deste evento. Uma fotografia tirada pelo Telescópio Hubble mostra a galáxia NGC 4993 onde isso aconteceu. A mancha amarela acima e à esquerda do centro da galáxia é um reflexo da fusão. As inserções mostram como isso mudou de 22 a 28 de agosto.

A própria explosão da onda gravitacional ocorreu em 17 de agosto deste ano e, por isso, recebeu o nome de GW170817. Primeiro foi capturado pelo VIRGO (a instalação conectou-se com sucesso por um curto período à sessão de observação científica do LIGO) e depois - uma fração de segundo depois - por detectores americanos. A explosão observada durou quase dois minutos! Vale a pena ouvir!

Mas o mais importante é que, após 1,7 segundos, os detectores gama dos satélites Fermi e INTEGRAL registaram uma curta explosão de raios gama, denominada GRB 170817A. Como rapidamente ficou claro, estes são eventos relacionados.

Os detectores gravitacionais não podem determinar com muita precisão o ponto da explosão no céu, mesmo neste caso, quando três detectores foram ativados, a área de incerteza era de cerca de 30 graus quadrados (mais de 100 discos lunares), mas os detectores gama podem determinar as coordenadas com muito mais precisão. Assim, foi imediatamente possível conectar observadores trabalhando em toda a faixa do espectro (além disso, foram analisados ​​​​dados dos detectores de neutrinos, mas eles não viram nada, como, de fato, era esperado). E isso levou a uma descoberta surpreendente - a explosão e seu brilho remanescente podiam ser vistos nas faixas de raios X, óptica, ultravioleta e infravermelha!

Como o sinal da onda gravitacional e a explosão de raios gama chegaram quase simultaneamente, podemos afirmar com alta precisão (aproximadamente 10 −15) que a velocidade de propagação das ondas gravitacionais é igual à velocidade da luz (observe que o atraso é mais provável devido não à diferença de velocidades, mas à física da geração da explosão de raios gama). Além disso, foi possível verificar várias outras previsões da Teoria Geral da Relatividade com maior precisão do que antes.

A presença de um sinal de onda gravitacional permite determinar diretamente a distância até a fusão de objetos. E os dados de medição óptica fornecem a identificação da galáxia, ou seja, permitem determinar o desvio para o vermelho. Juntas, essas medições independentes permitem determinar a constante de Hubble. Até agora, porém, eles não são muito precisos - 60–80 (km/s)/Mpc. Esta precisão é pior do que em várias outras medições cosmológicas. No entanto, é importante que neste caso a constante de Hubble seja medida por um método independente completamente diferente e independente do modelo (ou seja, não há necessidade de estabelecer pressupostos teóricos adicionais para obter o resultado). Portanto, podemos esperar que, no futuro, dados semelhantes sobre a observação de fusões de estrelas de nêutrons usando detectores de ondas gravitacionais em galáxias com desvio para o vermelho conhecido se tornem uma fonte de informações cosmológicas significativas.

Então. A uma distância de 130 milhões de anos-luz (40 megaparsecs), duas estrelas de nêutrons se fundiram na galáxia NGC 4993. Como resultado, ocorreu uma explosão de onda gravitacional e uma grande quantidade de energia foi liberada em diferentes faixas do espectro eletromagnético.

Além da erupção principal, há algum tempo os astrônomos também observam as chamadas quilonovas (às vezes também são chamadas de macronovas, veja Kilonova). Esta radiação está associada ao decaimento de elementos radioativos sintetizados como resultado da fusão de estrelas de nêutrons. A síntese ocorre como resultado do chamado processo r, a letra “r” aqui vem da palavra rápido (rápido). Após a fusão, a matéria em expansão é penetrada por um fluxo de nêutrons e neutrinos. Isso cria condições favoráveis ​​​​para a transformação dos núcleos dos elementos em núcleos mais pesados. Os núcleos capturam nêutrons, que podem então se transformar em prótons dentro do núcleo, fazendo com que o núcleo salte uma célula na tabela periódica. Assim, você pode “saltar” não apenas para o chumbo, mas também para o urânio e o tório. Cálculos modernos mostram que a maior parte dos elementos pesados ​​​​(com massa superior a 140), por exemplo, ouro e platina, são sintetizados precisamente como resultado da fusão de estrelas de nêutrons, e não durante explosões de supernovas.

Assim, um grande conjunto de dados foi obtido de um evento, interessante para uma ampla variedade de áreas da física e astrofísica:

1. A conexão entre explosões curtas de raios gama e fusões de estrelas de nêutrons foi comprovada. Os novos dados fornecerão uma compreensão muito melhor da física das explosões curtas de raios gama.
2. Foi possível realizar um excelente teste de uma série de previsões da Relatividade Geral (velocidade de propagação das ondas gravitacionais, invariância de Lorentz, princípio de equivalência).
3. Foram obtidos dados únicos sobre a síntese de elementos durante a fusão de estrelas de nêutrons.
4. Foi possível obter uma medição direta da constante de Hubble

Esperamos que as observações subsequentes nos ajudem a determinar com alta precisão as massas e raios das estrelas de nêutrons (o que é importante para a compreensão de sua estrutura, ou seja, relevante para a física nuclear), e também esperamos um evento onde a fusão de duas estrelas de nêutrons levará à formação observada de um buraco negro. A propósito, é impossível dizer exatamente o que aconteceu como resultado desse evento (mas muito provavelmente um buraco negro se formou).

Concluindo, notamos que os astrônomos têm muita, muita sorte. Em primeiro lugar, o splash está muito próximo. Em segundo lugar, a probabilidade de uma explosão de onda gravitacional ser acompanhada por uma explosão de raios gama não é muito elevada. Esperemos que os astrónomos continuem a ter mais sorte!

Artigos originais com materiais relacionados à descoberta podem ser encontrados no site do LIGO.

Sergei Popov

Em 16 de outubro, os astrônomos relataram que em 17 de agosto, pela primeira vez na história, ondas gravitacionais provenientes da fusão de dois estrelas de nêutrons. 70 grupos de cientistas estiveram envolvidos nas observações e 4.600 astrônomos - mais de um terço de todos os astrônomos do mundo - tornaram-se coautores de um dos artigos dedicados a este evento. O site N+1 explicou num longo artigo porque esta é uma descoberta importante e que questões ela ajudará a responder.

Como tudo isso aconteceu?

Em 17 de agosto de 2017, às 15h41min04s, horário de Moscou, o detector do observatório LIGO em Hanford (Washington) ouviu uma onda gravitacional de duração recorde - o sinal durou cerca de cem segundos. Este é um período de tempo muito longo - para efeito de comparação, os quatro registros anteriores de ondas gravitacionais não duraram mais do que três segundos. O programa de notificação automática foi ativado. Os astrônomos verificaram os dados: descobriu-se que o segundo detector LIGO (na Louisiana) também detectou a onda, mas o gatilho automático não funcionou devido ao ruído de curto prazo.

1,7 segundos depois do detector de Hanford, o sistema automático dos telescópios Fermi e Integral, observatórios cósmicos de raios gama que observam alguns dos eventos de maior energia do Universo, foi acionado independentemente dele. Os instrumentos detectaram um flash brilhante e determinaram aproximadamente suas coordenadas. Ao contrário do sinal gravitacional, o flash durou apenas dois segundos. Curiosamente, o “Integral” russo-europeu notou a explosão de raios gama com “visão lateral” - “cristais protetores” do detector principal. No entanto, isso não impediu a triangulação do sinal.

Cerca de uma hora depois, o LIGO enviou informações sobre as possíveis coordenadas da origem das ondas gravitacionais - essa área foi identificada graças ao fato do detector Virgo também ter notado o sinal. Com base nos atrasos com que os detectores começaram a receber o sinal, ficou claro que, muito provavelmente, a fonte estava no hemisfério sul: o sinal chegou primeiro a Virgem e só então, 22 milissegundos depois, foi registrado pelo observatório LIGO. A área inicial recomendada para busca atingiu 28 graus quadrados, o que equivale a centenas de áreas da Lua.

O próximo passo foi combinar dados de observatórios de raios gama e gravitacionais e procurar a fonte exata da radiação. Como nem os telescópios de raios gama, nem especialmente os gravitacionais, permitiram encontrar o ponto desejado com grande precisão, os físicos iniciaram várias buscas ópticas ao mesmo tempo. Uma delas é com a ajuda do sistema de telescópio robótico “MASTER”, desenvolvido no SAI MSU.

Observação de kilonova do Observatório Europeu do SulObservatório Europeu do Sul (ESO)

O telescópio chileno Swope conseguiu detectar o brilho desejado entre milhares de possíveis candidatos - quase 11 horas após as ondas gravitacionais. Os astrônomos detectaram um novo ponto luminoso na galáxia NGC 4993 na constelação de Hidra, seu brilho não excedeu a magnitude 17. Tal objeto é bastante acessível para observação em telescópios semiprofissionais.

Cerca de uma hora depois disso, independentemente do Swope, mais quatro observatórios encontraram a fonte, incluindo o telescópio argentino da rede MASTER. Depois disso, começou uma campanha de observação em grande escala, à qual se juntaram os telescópios do Observatório do Sul da Europa, Hubble, Chandra, o conjunto de radiotelescópios VLA e muitos outros instrumentos - no total, mais de 70 grupos de cientistas observaram o desenvolvimento de eventos. Após nove dias, os astrônomos conseguiram obter uma imagem na faixa de raios X, e após 16 dias - na faixa de radiofrequência. Infelizmente, depois de algum tempo o Sol se aproximou da galáxia e em setembro as observações tornaram-se impossíveis.

O que causou a explosão?

Um padrão de explosão tão característico em muitas faixas eletromagnéticas foi previsto e descrito há muito tempo. Corresponde à colisão de duas estrelas de nêutrons - objetos ultracompactos constituídos por matéria de nêutrons.

Segundo os cientistas, a massa das estrelas de nêutrons era de 1,1 e 1,6 massas solares (a massa total foi determinada com relativa precisão - cerca de 2,7 massas solares). As primeiras ondas gravitacionais surgiram quando a distância entre os objetos era de 300 quilômetros.

A grande surpresa foi a pequena distância deste sistema à Terra – cerca de 130 milhões de anos-luz. Para efeito de comparação, isso é apenas 50 vezes mais longe do que a distância entre a Terra e a Nebulosa de Andrômeda, e quase uma ordem de magnitude menor que a distância do nosso planeta aos buracos negros cujas colisões foram registradas anteriormente pelo LIGO e Virgo. Além disso, a colisão tornou-se a fonte mais próxima de uma curta explosão de raios gama da Terra.

Estrelas binárias de nêutrons são conhecidas desde 1974 - um desses sistemas foi descoberto pelos ganhadores do Nobel Russell Hulse e Joseph Taylor. No entanto, até agora, todas as estrelas duplas de neutrões conhecidas estavam na nossa Galáxia, e a estabilidade das suas órbitas era suficiente para que não colidissem nos próximos milhões de anos. O novo par de estrelas chegou tão perto que a interação começou e o processo de transferência de matéria começou a se desenvolver.

Colisão de duas estrelas de nêutrons. Animação da Nasa

O evento foi chamado de quilonova. Literalmente, isso significa que o brilho da explosão foi cerca de mil vezes mais poderoso do que as típicas explosões de novas - sistemas binários nos quais uma companheira compacta puxa a matéria para si.

O que tudo isso significa?

A gama completa de dados recolhidos já permite aos cientistas considerar o evento uma pedra angular da futura astronomia de ondas gravitacionais. Com base nos resultados do processamento de dados durante dois meses, cerca de 30 artigos foram escritos em revistas importantes: sete em Natureza E Ciência, bem como trabalhar em Cartas de diários astrofísicos e outras publicações científicas. Um desses artigos foi escrito em coautoria por 4.600 astrónomos de diversas colaborações – mais de um terço de todos os astrónomos do mundo.

Estas são as questões-chave que os cientistas conseguiram responder verdadeiramente pela primeira vez.

O que desencadeia explosões curtas de raios gama?

As explosões de raios gama são alguns dos eventos de maior energia do Universo. O poder de uma dessas explosões é suficiente para liberar no espaço circundante em segundos tanta energia quanto o Sol gera em 10 milhões de anos. Existem explosões curtas e longas de raios gama; Além disso, acredita-se que se trate de fenômenos com mecanismos diferentes. Por exemplo, o colapso de estrelas massivas é considerado a fonte de longas explosões.

Acredita-se que as fontes de curtas explosões de raios gama sejam fusões de estrelas de nêutrons. No entanto, até agora não houve nenhuma evidência direta disso. As novas observações são a prova mais forte até à data da existência deste mecanismo.

De onde vêm o ouro e outros elementos pesados ​​no Universo?

A nucleossíntese - fusão dos núcleos das estrelas - permite a obtenção de uma vasta gama de elementos químicos. Para núcleos leves, as reações de fusão prosseguem com a liberação de energia e são geralmente energeticamente favoráveis. Para elementos cuja massa se aproxima da massa do ferro, o ganho de energia já não é tão grande. Por causa disso, quase nenhum elemento mais pesado que o ferro é formado nas estrelas – com exceção das explosões de supernovas. Mas são completamente insuficientes para explicar a prevalência de ouro, lantanídeos, urânio e outros elementos pesados ​​no Universo.

Em 1989, os físicos sugeriram que a r-nucleossíntese em fusões de estrelas de nêutrons poderia ser a responsável. Você pode ler mais sobre isso no blog do astrofísico Marat Musin. Até agora, esse processo era conhecido apenas em teoria.

Estudos espectrais do novo evento mostraram traços claros do nascimento de elementos pesados. Assim, graças aos espectrômetros do Very Large Telescope (VLT) e do Hubble, os astrônomos descobriram a presença de césio, telúrio, ouro e platina. Também há evidências da formação de xenônio, iodo e antimônio. Os físicos estimam que a colisão ejetou uma massa total de elementos leves e pesados ​​equivalente a 40 vezes a massa de Júpiter. Só o ouro, segundo modelos teóricos, produz cerca de 10 vezes a massa da Lua.

Qual é a constante de Hubble?

A taxa de expansão do Universo pode ser estimada experimentalmente usando “velas padrão” especiais. São objetos para os quais o brilho absoluto é conhecido, o que significa que a relação entre o brilho absoluto e aparente pode ser usada para inferir a que distância eles estão. A taxa de expansão a uma determinada distância do observador é determinada pelo deslocamento Doppler de, por exemplo, linhas de hidrogênio. O papel das “velas padrão” é desempenhado, por exemplo, pelas supernovas do tipo Ia (“explosões” de anãs brancas) - aliás, foi na amostra delas que a expansão do Universo foi comprovada.

Observando a fusão de duas estrelas de nêutrons com o telescópio do Observatório do Paranal (Chile)Observatório Europeu do Sul (ESO)

A constante de Hubble especifica uma dependência linear da taxa de expansão do Universo a uma determinada distância. Cada determinação independente do seu valor permite-nos verificar a validade da cosmologia aceita.

As fontes das ondas gravitacionais também são “velas padrão” (ou, como são chamadas no artigo, “sirenes”). Pela natureza das ondas gravitacionais que eles criam, pode-se determinar independentemente a distância até elas. Foi exatamente disso que os astrônomos aproveitaram em um dos novos trabalhos. O resultado coincidiu com outras medições independentes - baseadas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e em observações de objetos com lentes gravitacionais. A constante é de aproximadamente 62–82 quilômetros por segundo por megaparsec. Isto significa que duas galáxias separadas por 3,2 milhões de anos-luz estão, em média, afastando-se a uma velocidade de 70 quilómetros por segundo. Novas fusões de estrelas de nêutrons ajudarão a melhorar a precisão desta estimativa.

Como funciona a gravidade?

A teoria da relatividade geralmente aceita hoje prevê com precisão o comportamento das ondas gravitacionais. No entanto, a teoria quântica da gravidade ainda não foi desenvolvida. Existem várias hipóteses sobre como ele poderia ser estruturado - são projetos teóricos com um grande número de parâmetros desconhecidos. A observação simultânea da radiação eletromagnética e das ondas gravitacionais permitirá esclarecer e estreitar os limites desses parâmetros, bem como descartar algumas hipóteses.

Por exemplo, o facto de as ondas gravitacionais terem chegado 1,7 segundos antes dos raios gama confirma que elas de facto viajam à velocidade da luz. Além disso, o próprio atraso pode ser usado para testar o princípio de equivalência subjacente à relatividade geral.

Como funcionam as estrelas de nêutrons?

Conhecemos a estrutura das estrelas de nêutrons apenas em termos gerais. Eles têm uma crosta de elementos pesados ​​e um núcleo de nêutrons – mas, por exemplo, ainda não sabemos a equação de estado da matéria de nêutrons no núcleo. E disso depende, por exemplo, a resposta a uma pergunta tão simples: o que exatamente se formou durante a colisão que os astrônomos observaram?

Visualização de ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons

Assim como as anãs brancas, as estrelas de nêutrons têm o conceito de massa crítica, acima da qual o colapso pode começar. Dependendo se a massa do novo objeto excedeu ou não a massa crítica, existem vários cenários para o desenvolvimento de eventos. Se a massa total for muito grande, o objeto entrará imediatamente em colapso em um buraco negro. Se a massa for um pouco menor, então pode surgir uma estrela de nêutrons em rotação rápida e sem equilíbrio, que, no entanto, também acabará colapsando em um buraco negro. Uma opção alternativa é a formação de um magnetar, um buraco de nêutrons em rotação rápida com um enorme campo magnético. Aparentemente, um magnetar não foi formado na colisão; a forte radiação de raios X que a acompanha não foi detectada.

Segundo Vladimir Lipunov, chefe da rede MASTER, os dados atualmente disponíveis não são suficientes para saber exatamente o que se formou a partir da fusão. No entanto, os astrônomos já possuem uma série de teorias que serão publicadas nos próximos dias. Pode ser possível determinar a massa crítica desejada a partir de futuras fusões de estrelas de nêutrons.

Vladímir Korolev, N+1