eso1733pt — Nota de Imprensa Científica

Telescópios do ESO observam primeira luz de uma fonte de ondas gravitacionais

Estrelas de neutrões coalescentes lançam ouro e platina para o espaço

16 de Outubro de 2017

Os telescópios do ESO no Chile detectaram a primeira contraparte visível de uma fonte de ondas gravitacionais. Estas observações históricas sugerem que este objeto único é o resultado de uma fusão entre duas estrelas de neutrões. Os efeitos cataclísmicos deste tipo de fusão — eventos há muito previstos chamados quilonovas — dispersam no Universo elementos pesados, tais como o ouro e a platina. Esta descoberta, publicada em vários artigos científicos na revista Nature e noutras revistas da especialidade, mostra também a melhor evidência recolhida até à data de que explosões de raios gama de curta duração são causadas pela fusão de estrelas de neutrões.

Os astrónomos observaram pela primeira vez tanto ondas gravitacionais como luz (radiação electromagnética) 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.

No dia 17 de agosto de 2017, o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) do NSF nos Estados Unidos da América, trabalhando em uníssono com o Interferómetro Virgo na Itália, detectou ondas gravitacionais a passar pela Terra. A este evento, o quinto a ser detectado, deu-se 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 área 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 da NGC 4993, uma galáxia lenticular na constelação da Hidra, e as observações 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, observaram igualmente esta fonte, vendo-a evoluir rapidamente.

“Há aquelas ocasiões raras em que um cientista se depara com a oportunidade de testemunhar uma nova era a iniciar-se,” disse Elena Pian, astrónoma 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 “oportunidade de alvo” e muitos telescópios do ESO e com parceria 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 a GW170817 se encontrava à mesma distância que a 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 à data e também uma das fontes de explosões de raios gama mais próxima alguma vez 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 tal evento tem origem na fusão de estrelas de neutrões, os núcleos colapsados e extremamente densos de estrelas de elevada massa, que restam após uma explosão de supernova [5]. Estas fusões têm sido, até à data, a hipótese principal para explicar as explosões de raios gama de curta duração. Pensa-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.

No seguimento da fusão das duas estrelas de neutrões, 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 varia desde muito azul a muito vermelha em poucos dias, uma variação mais rápida do que a que é observada em qualquer outra explosão estelar.

“Quando o espectro nos apareceu nos ecrãs, apercebi-me que se tratava do evento transiente mais invulgar que já tinha alguma vez 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, ejectados pelas estrelas de neutrões 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 a ocorrer no seio de objetos estelares de alta densidade, a chamada nucleosíntese de processo-r, algo que apenas tinha sido teorizado até à data.

“Os dados que temos até agora ajustam muitíssimo bem a 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 astronómicos complexos num curto espaço de tempo. Entrámos numa nova era da astronomia multi-mensageira!” conclui Andrew Levan, autor principal de um dos artigos científicos.

Notas

[1] A detecção LOGO-Virgo situou a fonte numa área do céu de cerca de 35 graus quadrados.

[2] A galáxia apenas pôde ser observada em agosto ao final do dia, 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 neutrões coalescentes, 130 milhões de anos-luz, tornou possível as observações, uma vez que estrelas de neutrões em fusão dão origem a ondas gravitacionais mais fracas que buracos negros em fusão, o que devia ser muito provavelmente o caso das quatro primeiras detecções de ondas gravitacionais.

[5] Quando estrelas de neutrões orbitam uma em torno da outra num sistema binário, os objetos perdem energia ao emitir ondas gravitacionais e vão-se aproximando. Quando finalmente se encontram, alguma 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.

Informações adicionais

Este trabalho foi apresentado numa série de artigos científicos publicados nas revistas Nature, Nature Astronomy e Astrophysical Journal Letters.

Uma lista extensiva dos membros das equipas encontra-se disponível neste ficheiro pdf.

O ESO é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronómico mais produtivo do mundo. O ESO é  financiado por 16 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Holanda, Itália, Polónia, 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 astronómicos terrestres de ponta, que possibilitam aos astrónomos importantes descobertas científicas. O ESO também tem um papel importante na promoção e organização de cooperação na investigação astronómica. 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 astronómico 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 astronómico 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 investigação: 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 Polónia; 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.

Links

• Membros das equipas
  
• FAQ (ficheiro PDF, 184 KB)
• Folha de factos (ficheiro PDF, 105 KB)
• Artigo científico 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, de E. Pian et al. in Nature. (ficheiro PDF, 196 KB)
• Artigo científico 2: “The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, de N. R. Tanvir et al. in Astrophysical Journal Letters (ficheiro PDF, 843 KB)
• Artigo científico 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, de S. J. Smartt et al. in Nature (ficheiro PDF, 9 MB)
• Artigo científico 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, de S. Covino et al. in Nature Astronomy (ficheiro PDF, 230 KB)
• Artigo científico 5: “The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017”, de J. Hjorth et al. in Astrophysical Journal Letters
• Artigo científico 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, de A. J. Levan et al. in Astrophysical Journal Letters (ficheiro PDF, 2.6 MB)

• Nota de imprensa do LIGO
  
• Nota de imprensa da ESA/Hubble
  

Contactos

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Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço
Portugal
Telm.: 964951692
Email: eson-portugal@eso.org

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Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Tel.: +44 7876 014103
Email: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Tel.: +39 051 6398701
Email: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel.: +44 7714 250373
Email: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Tel.: +44 7980 136499
Email: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
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Este texto é a tradução da Nota de Imprensa do ESO eso1733, cortesia do ESON, uma rede de pessoas nos Países Membros do ESO, que servem como pontos de contacto local com os meios de comunicação social, em ligação com os desenvolvimentos do ESO. A representante do nodo português é Margarida Serote.