TELESCÓPIOS DO ESO OBSERVAM PRIMEIRA LUZ DE UMA FONTE DE ONDAS GRAVITACIONAIS
17 de outubro de 2017
Esta imagem artística mostra duas estrelas de neutrões minúsculas mas muito densas no momento em que se fundem e explodem sob a forma de quilonova. Este tipo de evento é muito raro e dá origem tanto a ondas gravitacionais como a uma explosão de raios-gama de curta duração. Ambos estes fenómenos foram observados no dia 17 de agosto de 2017 pelo LIGO-Virgo e Fermi/INTEGRAL, respetivamente. Observações subsequentes detalhadas obtidas com muitos telescópios do ESO confirmaram que este objeto, observado na galáxia NGC 4993 a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância da Terra, se trata efetivamente de uma quilonova. Tais objetos são a fonte principal de elementos químicos muito pesados no Universo, tais como o ouro e a platina.
Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
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Os telescópios do ESO no Chile detetaram 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 provocadas pela fusão de estrelas de neutrões.
Os astrónomos 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.
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, detetou ondas gravitacionais a passar pela Terra. A este evento, o quinto a ser detetado, 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, detetaram 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 (cerca de 35 graus quadrados). 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 Interamericano 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 de 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 deteção (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). 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) 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 detetado até à data e também uma das fontes de explosões de raios-gama mais próxima alguma vez observada.
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 detetadas. 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. 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 deteções quase simultâneas das ondas gravitacionais e dos raios-gama emitidos por 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, ejetados 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 nucleossíntese 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 dispor 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.
Esta imagem obtida pelo instrumento VIMOS montado no VLT (Very Large Telescope) do ESO, no Observatório do Paranal no Chile, mostra a galáxia NGC 4993, situada a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância da Terra. Esta galáxia por si própria não é invulgar, no entanto alberga algo nunca antes observado, os restos da explosão de um par de estrelas de neutrões coalescentes, um evento raro chamado quilonova (visto logo por cima e ligeiramente à esquerda do centro da galáxia). Esta fusão deu também origem a ondas gravitacionais e raios-gama, ambos detetados pelo LIGO-Virgo e pelo Fermi/INTEGRAL, respetivamente.
Crédito: ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir
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Esta imagem composta mostra imagens da galáxia NGC 4993 obtidas com vários telescópios e instrumentos do ESO. Todas elas revelam uma fonte de luz ténue próximo do centro. Trata-se de uma quilonova, uma explosão que teve origem na fusão de duas estrelas de neutrões. Esta fusão deu origem a ondas gravitacionais, detetadas pelo LIGO-Virgo, e a raio-gama, detectados pelo Fermi e INTEGRAL no espaço.
Crédito: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM
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Esta imagem obtida pelo instrumento MUSE montado no VLT do ESO, no Observatório do Paranal no Chile, mostra a galáxia NGC 4993, situada a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância da Terra. Esta galáxia por si própria não é invulgar, no entanto alberga algo nunca antes observado, os restos de uma explosão de um par de estrelas de neutrões coalescentes, um evento raro chamado quilonova (visto logo por cima e ligeiramente à esquerda do centro da galáxia). Esta fusão deu também origem a ondas gravitacionais e raios-gama, ambos detctados pelo LIGO-Virgo e pelo Fermi/INTEGRAL, respetivamente. Ao criar um espectro para cada parte do objeto, o MUSE permite observar a emissão do gás brilhante, o qual aparece aqui a vermelho e revela uma surpreendente estrutura em espiral.
Créditos: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir
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