Em maio de 2023, pouco depois do início da quarta série de observações LIGO-Virgo-KAGRA, o detetor LIGO em Livingston observou um sinal de ondas gravitacionais resultante da colisão do que é muito provavelmente uma estrela de neutrões com um objeto compacto que tem 2,5 a 4,5 vezes a massa do nosso Sol. As estrelas de neutrões e os buracos negros são ambos objetos compactos, os remanescentes densos de explosões estelares massivas. O que torna este sinal, chamado GW230529, intrigante é a massa do objeto mais pesado. Está dentro de um possível intervalo de massa entre as estrelas de neutrões mais pesadas conhecidas e os buracos negros mais leves. O sinal de ondas gravitacionais, por si só, não pode revelar a natureza deste objeto. Futuras deteções de eventos semelhantes, especialmente os acompanhados por explosões de radiação eletromagnética, poderão ser a chave para resolver este mistério cósmico.

"Esta deteção, o primeiro dos nossos excitantes resultados da quarta série de observações LIGO-Virgo-KAGRA, revela que pode haver uma taxa mais elevada de colisões semelhantes entre estrelas de neutrões e buracos negros de baixa massa do que pensávamos anteriormente", diz a Dra. Jess McIver, professora assistente na Universidade da Colúmbia Britânica e porta-voz adjunta da Colaboração Científica LIGO.

A lacuna de massa entre as estrelas de neutrões e os buracos negros

Antes da deteção de ondas gravitacionais em 2015, as massas dos buracos negros de massa estelar eram determinadas principalmente através de observações de raios X, enquanto as massas das estrelas de neutrões eram determinadas através de observações de rádio. As medições resultantes dividiam-se em dois intervalos distintos, com uma diferença entre eles de cerca de 2 a 5 vezes a massa do nosso Sol. Ao longo dos anos, um pequeno número de medições tem-se aproximado deste intervalo de massa, que continua a ser altamente debatido entre os astrofísicos.

Ilustração que mostra a massa de alguns dos componentes de eventos de ondas gravitacionais que se situam dentro ou perto da região de 3-5 massas solares, também referida como o "intervalo inferior de massa". Os círculos azuis claros representam fontes que são estrelas de neutrões, os círculos pretos representam fontes que são buracos negros, e os círculos pretos com pontos de interrogação indicam que a fonte é provavelmente um buraco negro, mas também há a possibilidade de ser uma estrela de neutrões. A massa primária de GW230529 está localizada neste intervalo de massa. Crédito: S. Galaudage, Observatoire de la Côte d'Azur

A análise do sinal GW230529 mostra que este provém da fusão de dois objetos compactos, um com uma massa entre 1,2 e 2,0 vezes a do nosso Sol e o outro com um pouco mais do dobro da massa. Embora o sinal das ondas gravitacionais não forneça informação suficiente para determinar com certeza se estes objetos compactos são estrelas de neutrões ou buracos negros, parece provável que o objeto mais leve seja uma estrela de neutrões e o objeto mais massivo um buraco negro. Os cientistas da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA estão confiantes de que o objeto mais massivo está dentro da lacuna de massa.

As observações de ondas gravitacionais já forneceram quase 200 medições das massas de objetos compactos. Destas, apenas uma outra fusão pode ter envolvido um objeto compacto na lacuna de massa - o sinal GW190814 veio da fusão de um buraco negro com um objeto compacto que excede a massa das estrelas de neutrões mais pesadas conhecidas e está, possivelmente, dentro deste intervalo de massa.

"Embora tenham sido relatadas evidências anteriores de objetos no intervalo de massa, tanto em ondas gravitacionais como eletromagnéticas, este sistema é especialmente excitante porque é a primeira deteção de ondas gravitacionais de um objeto na lacuna de massa emparelhado com uma estrela de neutrões", diz a Dra. Sylvia Biscoveanu da Universidade Northwestern. "A observação deste sistema tem implicações importantes tanto para as teorias da evolução dos binários como para os homólogos eletromagnéticos das fusões de objetos compactos."

A quarta série de observações com detetores mais sensíveis

A terceira série de observações dos detetores de ondas gravitacionais, muito bem-sucedida, terminou na primavera de 2020, elevando para 90 o número de deteções de ondas gravitacionais conhecidas. Antes do início da quarta série de observação, O4, a 24 de maio de 2023, os investigadores do LIGO-Virgo-KAGRA introduziram melhorias nos detetores, na ciberinfraestrutura e no software de análise que lhes permitem detetar sinais de mais longe e extrair mais informações sobre os eventos extremos em que as ondas são geradas.

Ficha informativa sobre o anúncio da última descoberta da Colaboração LVK. Crédito: S. Galaudage, Observatoire de la Côte d'Azur

Apenas cinco dias após o lançamento da campanha O4, as coisas tornaram-se realmente emocionantes. No dia 29 de maio de 2023, o sinal de ondas gravitacionais GW230529 passou pelo detetor LIGO em Livingston. Em poucos minutos, os dados do detetor foram analisados e foi emitido um alerta (designado S230529ay) anunciando publicamente o sinal. Os astrónomos que receberam o alerta foram informados de que uma estrela de neutrões e um buraco negro se fundiram muito provavelmente a cerca de 650 milhões de anos-luz da Terra. Infelizmente, a direção da fonte não pôde ser determinada porque apenas um detetor de ondas gravitacionais estava a observar na altura do sinal.

A quarta série de observações está planeada para durar 20 meses, incluindo uma pausa de dois meses para realizar a manutenção dos detetores e para fazer uma série de melhorias necessárias. Até 16 de janeiro de 2024, quando começou a pausa de comissionamento, tinham sido identificados um total de 81 candidatos a sinais significativos. GW230529 é o primeiro destes a ser publicado após uma investigação pormenorizada.

Continuando a série de observações

A quarta série de observações foi retomada no passado dia 10 de abril de 2024 com os detetores LIGO em Hanford, LIGO em Livingston e Virgo a funcionar em conjunto. A série continuará até fevereiro de 2025, sem mais pausas planeadas na observação. Os detetores deverão ter ficado ligeiramente mais sensíveis após a pausa que terminou há poucos dias.

Enquanto a observação prossegue, os investigadores do LIGO-Virgo-KAGRA estão a analisar os dados da primeira metade da campanha e a verificar os restantes 80 candidatos a sinais significativos que já foram identificados. No final da quarta série de observações, em fevereiro de 2025, o número total de sinais de ondas gravitacionais observados deverá ultrapassar os 200.

// LIGO (comunicado de imprensa)
// Colaboração LVK (comunicado de imprensa)
// Caltech (comunicado de imprensa)
// Universidade de Colúmbria Britânica (comunicado de imprensa)
// Instituto Max Planck de Física Gravitacional (comunicado de imprensa)
// Universidade Northwestern (comunicado de imprensa)
// Universidade de Portsmouth (comunicado de imprensa)
// Universidade de Birmingham (comunicado de imprensa)
// Universidade de Glasgow (comunicado de imprensa)
// CNRS (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

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Ars Technica

GW230529:
Colaboração científica LIGO

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais - Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço - Universe Today
Detetores: como funcionam - Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais - Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

Buraco negro:
Wikipedia

Estrela de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

LIGO:
Página oficial
Caltech
Advanced LIGO
Wikipedia

Virgo:
EGO
Wikipedia

KAGRA:
Página oficial
Wikipedia