Em 2017, o LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser) e o Virgo detectaram ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons. Eles chamaram esse sinal de GW170817. Dois segundos após detectá-lo, o satélite Fermi da NASA detectou uma explosão de raios gama (GRB) denominada GRB170817A. Em questão de minutos, telescópios e observatórios de todo o mundo afinaram o evento.
O Telescópio Espacial Hubble desempenhou um papel nesta detecção histórica da fusão de duas estrelas de nêutrons. A partir de dezembro de 2017, o Hubble detectou a luz visível dessa fusão e, no próximo ano e meio, virou seu poderoso espelho no mesmo local mais de 10 vezes. O resultado?
A imagem mais profunda do brilho posterior deste evento e uma repleta de detalhes científicos.
"Esta é a exposição mais profunda que já tivemos deste evento em luz visível", disse Wen-fai Fong, da Northwestern, que liderou a pesquisa. "Quanto mais profunda a imagem, mais informações podemos obter."
Além de fornecer uma imagem profunda do brilho posterior da fusão, o Hubble também revelou alguns segredos inesperados da própria fusão, o jato que criou e também alguns detalhes da natureza das explosões curtas de raios gama.
Para muitos cientistas, o GW170817 é a descoberta mais importante do LIGO até o momento. A descoberta ganhou o prêmio Breakthrough of the Year em 2017 pela revista Science. Embora se tenha falado muito em colisões ou fusões entre duas estrelas de nêutrons, foi a primeira vez que os astrofísicos conseguiram observar uma. Como eles também o observaram na luz eletromagnética e nas ondas gravitacionais, também foi a primeira "observação de vários mensageiros entre essas duas formas de radiação", como diz o comunicado de imprensa.
É parcialmente a circunstância que fez isso acontecer. O GW170817 está bem próximo da Terra em termos astronômicos: a apenas 140 milhões de anos-luz de distância na galáxia elíptica NGC 4993. Era brilhante e fácil de encontrar.
A colisão das duas estrelas de nêutrons causou um kilonova. Eles são causados quando duas estrelas de nêutrons se fundem assim, ou quando uma estrela de nêutrons e um buraco negro se fundem. Um kilonova é cerca de 1000 vezes mais brilhante que uma nova clássica, que ocorre em um sistema estelar binário quando uma anã branca e seu companheiro se fundem. O brilho extremo de um kilonova é causado pelos elementos pesados que se formam após a fusão, incluindo o ouro.
A fusão criou um jato de material viajando à velocidade da luz que dificultava a visualização do brilho posterior. Embora o jato que colidisse com o material ao redor fosse o que tornou a fusão tão brilhante e fácil de ver, também obscureceu o brilho do evento. Para ver o brilho posterior, os astrofísicos tinham que ser pacientes.
"Para vermos o brilho posterior, o kilonova teve que sair do caminho", disse Fong. “Certamente, cerca de 100 dias após a fusão, o kilonova havia desaparecido no esquecimento, e o brilho posterior assumiu o controle. O brilho posterior foi tão fraco, no entanto, deixando os telescópios mais sensíveis para capturá-lo. ”
É aí que o Telescópio Espacial Hubble entrou. Em dezembro de 2017, o Hubble viu a luz visível do brilho posterior da fusão. Desde então, até março de 2019, o Hubble visitou novamente o brilho posterior mais 10 vezes. A imagem final era a mais profunda de todos os tempos, com o venerável espaço ‘olhando para o local em que a fusão ocorreu por 7,5 horas. A partir dessa imagem, os astrofísicos sabiam que a luz visível finalmente se fora, 584 dias após a fusão das duas estrelas de nêutrons.
O brilho posterior do evento foi fundamental e fraco. Para vê-lo e estudá-lo, a equipe por trás do estudo teve que remover a luz da galáxia circundante, NGC 4993. A luz galáctica é complicada e, de certa forma, "infectaria" o brilho posterior e prejudicaria os resultados. .
"Para medir com precisão a luz do pós-brilho, é preciso tirar toda a luz", disse Peter Blanchard, pós-doutorado no CIERA e segundo autor do estudo. "O maior culpado é a contaminação por luz da galáxia, que é extremamente complicada em sua estrutura".
Mas agora eles tinham 10 imagens do pós-brilho do Hubble para trabalhar. Nessas imagens, o kilonova se foi e apenas o brilho residual permaneceu. Na imagem final, o brilho posterior também se foi. Sobrepuseram a imagem final nas outras 10 imagens do brilho posterior e, usando um algoritmo, removeram meticulosamente toda a luz das imagens anteriores do Hubble que mostravam brilho posterior. Pixel por pixel.
No final, eles tiveram uma série de imagens ao longo do tempo, mostrando apenas o brilho posterior, sem qualquer contaminação da galáxia. A imagem concordou com as previsões modeladas e também é a série temporal mais precisa das imagens pós-brilho do evento.
"A evolução do brilho combina perfeitamente com nossos modelos teóricos de jatos", disse Fong. "Também concorda perfeitamente com o que o rádio e os raios X estão nos dizendo".
Então, o que eles encontraram nessas imagens?
Antes de tudo, a área em que as estrelas de nêutrons se fundiam não era densamente povoada por aglomerados, algo que estudos anteriores previram que deveria ser o caso.
"Estudos anteriores sugeriram que pares de nêutrons podem se formar e se fundir no ambiente denso de um aglomerado globular", disse Fong. "Nossas observações mostram que definitivamente não é o caso dessa fusão de estrelas de nêutrons".
Fong também acha que este trabalho lançou alguma luz sobre as explosões de raios gama. Ela acha que essas explosões distantes são na verdade fusões de estrelas de nêutrons como GW170817. Todos eles produzem jatos relativísticos, de acordo com Fong, é que são vistos de diferentes ângulos.
Os astrofísicos geralmente veem esses jatos de rajadas de raios gama de um ângulo diferente do GW170817, geralmente de frente. Mas GW170817 foi visto de um ângulo de 30 graus. Isso nunca havia sido visto sob luz óptica.
"O GW170817 é a primeira vez que conseguimos ver o jato 'fora do eixo'", disse Fong. "A nova série temporal indica que a principal diferença entre o GW170817 e as rajadas curtas de raios gama distantes é o ângulo de visão".
Um artigo descrevendo esses resultados será publicado no Astrophysical Journal Letters este mês. É intitulado "O reflexo óptico do GW170817: um jato estruturado fora do eixo e restrições profundas na origem de um cluster globular". É visível no link acima em arxiv.org.
Mais:
- Artigo: Research Afterglow Optical of GW170817: Um jato estruturado fora do eixo e restrições profundas na origem de um cluster globular
- Press Release: Afterglow lança luz sobre a natureza, origem das colisões de estrelas de nêutrons
- LIGO / Virgo: O ALVORECER DA ASTROFÍSICA MULTI-MENSAGEIRO: OBSERVAÇÕES DE UMA FUSÃO BINÁRIA DE ESTRELA DE NEUTRON
