LIGO-Virgo encontra objecto misterioso na “divisão de massa”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Em Agosto de 2019 a rede de ondas gravitacionais LIGO-Virgo testemunhou a fusão entre um buraco negro com 23 vezes a massa do nosso Sol e um objecto misterioso com 2,6 vezes a massa do Sol. Os cientistas não sabem se o objecto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro, mas de qualquer maneira foi quebrado o recorde de estrela de neutrões mais massiva conhecida ou de buraco negro mais leve conhecido.
Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Quando as estrelas mais massivas morrem, colapsam sob a sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas um pouco menos massivas morrem, explodem numa super-nova e deixam para trás remanescentes densos e mortos de estrelas chamadas estrelas de neutrões. Há décadas que os astrónomos se interessam pela divisão que fica entre as estrelas de neutrões e os buracos negros: a estrela de neutrões mais pesada que se conhece não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso Sol, ou 2,5 massas solares, e o buraco negro mais leve tem aproximadamente 5 massas solares. A questão que permanecia: existe alguma coisa neste intervalo de massas?

Agora, num novo estudo pelos detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e Virgo (na Europa), os cientistas anunciaram a descoberta de um objecto com 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na divisão de massa. O objecto foi encontrado no dia 14 de Agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro com 23 massas solares, criando ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo LIGO e pelo Virgo. O artigo sobre a sua detecção foi aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.

“Esperámos décadas para resolver este mistério,” diz a co-autora Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern. “Não sabemos se este objecto é a estrela de neutrões mais pesada que se conhece ou o buraco negro mais leve que se conhece, mas de qualquer forma quebra um recorde.”

“Isto vai mudar a maneira como os cientistas falam sobre estrelas de neutrões e buracos negros,” diz o co-autor Patrick Brady, professor da Universidade de Wisconsin, Milwaukee, EUA e porta-voz da Colaboração Científica do LIGO. “A divisão de massa pode, de facto, não existir, mas pode ter sido devida a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações o dirão.”

A fusão cósmica descrita no estudo, um evento chamado GW190814, resultou num buraco negro final com aproximadamente 25 vezes a massa do Sol (alguma da massa fundida foi convertida num surto energético de ondas gravitacionais). O recém-formado buraco negro fica a cerca de 800 milhões de anos-luz da Terra.

Antes da fusão dos dois objectos, as suas massas diferiam por um factor de 9, tornando-se na relação de massa mais extrema já conhecida para um evento de ondas gravitacionais. Outro evento relatado recentemente pelo LIGO-Virgo, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma relação de massa de aproximadamente 4:1.

“É um desafio para os modelos teóricos actuais formar pares, em fusão, de objectos compactos com um rácio de massa tão grande na qual o parceiro mais leve reside no hiato de massa entre buracos negros e estrelas de neutrões. Esta descoberta implica que estes eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, tornando-o num objecto de baixa massa realmente intrigante,” explica Kalogera. “O objecto misterioso pode ser uma estrela de neutrões fundindo-se com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, excede as previsões modernas para a massa máxima das estrelas de neutrões, e pode ao invés ser o buraco negro mais leve já detectado”.

Quando os cientistas do LIGO e do Virgo avistaram esta fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronómica. Dúzias de telescópios terrestres e espaciais continuaram à procura, no espectro electromagnético, de sinais do evento, sem resultados positivos. Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, num evento chamado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em Agosto de 2017, envolveu uma colisão escaldante de duas estrelas de neutrões que foi subsequentemente testemunhada por dúzias de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de neutrões são eventos caóticos que lançam matéria para o espaço em todas as direcções e, portanto, espera-se que emitam luz. Inversamente, pensa-se que as fusões que envolvem buracos negros não produzem luz.

De acordo com os cientistas do LIGO e do Virgo, o evento de Agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios que observam no espectro electromagnético por várias razões. Em primeiro lugar, este evento estava seis vezes mais distante do que o evento observado em 2017, dificultando a captação de qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão tivesse envolvido dois buracos negros, provavelmente não teria emitido luz. Em terceiro lugar, se o objecto mais pequeno tivesse sido de facto uma estrela de neutrões, o seu buraco negro parceiro, 9 vezes mais massivo, tê-la-ia engolido toda; uma estrela de neutrões consumida inteira por um buraco negro não emite luz.

“Faz-me lembrar Pac-Man comendo um pontinho,” diz Kalogera. “Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela de neutrões mais pequena pode ser ‘comida’ por inteiro.”

Como é que os investigadores poderão saber se o objecto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro? Observações futuras com o LIGO, Virgo e possivelmente outros telescópios podem capturar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se objectos adicionais existem na divisão de massas.

“Este é o primeiro vislumbre do que poderá ser uma população totalmente nova de objectos binários compactos,” diz Charlie Hoy, membro da Colaboração Científica LIGO e estudante da Universidade de Cardiff. “O que é realmente emocionante é que isto é apenas o começo. À medida que os detectores se tornam cada vez mais sensíveis, vamos observar ainda mais destes sinais e seremos capazes de identificar as populações de estrelas de neutrões e buracos negros no Universo.”

“A divisão de massa tem permanecido um quebra-cabeças interessante durante décadas, e agora detectámos um objecto que encaixa bem nela,” diz Pedro Marronetti, director do programa para física gravitacional da NSF. “Isto não pode ser explicado sem desafiar a nossa compreensão da matéria extremamente densa ou sem desafiar o que sabemos sobre a evolução das estrelas. Esta observação é mais outro exemplo do potencial transformador do campo da astronomia de ondas gravitacionais, que lança luz sobre novas ideias a cada deteção.”

Astronomia On-line
26 de Junho de 2020

 

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Um “Jekyll e Hyde” cósmico

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Nesta nova imagem de Terzan 5 (direita), os raios-X fracos, médios e altamente energéticos detectados pelo Chandra têm a cor vermelha, verde e azul, respectivamente. À esquerda, uma imagem do Telescópio Espacial Hubble mostra o mesmo campo no visível.
Credito: raios-X – NASA/CXC/Universidade de Amesterdão/N. Degenaar, et al.; óptico – NASA, ESA

De acordo com observações do Observatório de raios-X Chandra da NASA e do VLA (Karl F. Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation), um sistema estelar binário tem vindo a alternar entre dois alter-egos. Usando quase uma década e meia de dados do Chandra, os investigadores notaram que um par estelar se comporta como um tipo de objecto antes de mudar a sua identidade e depois regressa ao seu estado original ao fim de alguns anos. Este é um exemplo raro de um sistema estelar que altera o seu comportamento desta maneira.

Os astrónomos encontraram esta volátil estrela dupla, ou sistema binário, numa densa colecção de estrelas, o enxame globular Terzan 5, localizado a mais ou menos 20.000 anos-luz da Terra, na Via Láctea. Esta dupla estelar, conhecida como Terzan 5 CX1, tem uma estrela de neutrões (o remanescente extremamente denso deixado para trás por uma explosão de super-nova) em órbita íntima com uma estrela semelhante ao Sol, mas com menos massa.

Em sistemas binários como Terzan 5 CX1, a estrela de neutrões mais pesada puxa o material da companheira de massa inferior para um disco circundante. Os astrónomos podem detectar estes denominados discos de acreção graças à sua brilhante radiação em raios-X e referem-se a estes objectos como “binários de raios-X de baixa massa.”

O material giratório no disco cai sobre a superfície da estrela de neutrões, acelerando a sua rotação. A estrela de neutrões pode girar cada vez mais depressa até que a esfera com aproximadamente 16 km de diâmetro, com mais massa do que o Sol, gira centenas de vezes por segundo. Eventualmente, a transferência de matéria diminui e o material restante é varrido pelo campo magnético giratório da estrela de neutrões, que se torna num pulsar de milissegundo. Os astrónomos detectam pulsos de ondas de rádio destes pulsares de milissegundo enquanto o feixe de ondas de rádio da estrela de neutrões aponta para a Terra durante cada rotação.

Embora os cientistas esperem que a evolução completa de um binário de raios-X de baixa massa para um pulsar de milissegundo ocorra ao longo de vários milhares de milhões de anos, existe um período de tempo em que o sistema pode alternar rapidamente entre estes dois estados. As observações de Terzan 5 CX1 pelo Chandra mostram que estava a agir como um binário de raios-X de baixa massa em 2003, porque era mais brilhante em raios-X do que qualquer uma das dezenas de outras fontes no enxame globular. Isto era um sinal de que a estrela de neutrões provavelmente estava a acumular matéria.

Nos dados do Chandra obtidos de 2009 a 2014, Terzan 5 CX1 havia se tornado cerca de dez vezes mais fraco em raios-X. Os astrónomos também o detectaram como uma fonte de rádio com o VLA em 2012 e 2014. A quantidade de emissão de rádio e raios-X e os espectros correspondentes (a quantidade de emissão em diferentes comprimentos de onda) concordam com as expectativas de um pulsar de milissegundo. Embora os dados rádio usados não permitam uma busca por pulsos de milissegundo, estes resultados implicam que Terzan 5 CX1 passou por uma transformação, passando a comportar-se como um pulsar de milissegundo e que estava a ejectar material. Quando o Chandra observou Terzan 5 CX1 novamente em 2016, tornou-se mais brilhante em raios-X e voltou a agir novamente como um binário de raios-X de baixa massa.

Para confirmar este padrão de comportamento “Jekyll e Hyde”, os astrónomos precisam de detectar pulsos de rádio enquanto Terzan 5 CX1 é fraco em termos de raios-X. Estão planeadas mais observações no rádio e em raios-X para procurar este comportamento, além de pesquisas sensíveis de pulsos nos dados existentes. Apenas se conhecem três exemplos confirmados destes sistemas que mudam de identidade, o primeiro descoberto em 2013 usando o Chandra e vários outros telescópios de raios-X e rádio.

O estudo do binário “Jekyll e Hyde” foi liderado por Arash Bahramian do ICRAR (International Center for Radio Astronomy Research), Austrália, e publicado na edição de 1 de Setembro de 2018 da revista The Astrophysical Journal.

Dois outros estudos recentes usaram observações de Terzan 5 pelo Chandra para estudar como as estrelas de neutrões de dois diferentes binários de raios-X de baixa massa se recuperam depois de terem recebido grandes quantidades de material despejado na superfície por uma estrela companheira. Tais estudos são importantes para entender a estrutura da camada externa de uma estrela de neutrões, conhecida como crosta.

Num destes estudos, o do binário de raios-X de baixa massa Swift J174805.3–244637 (T5 X-3 para abreviar), o material despejado na estrela de neutrões durante uma explosão de raios-X detectada em 2012 pelo Chandra aqueceu a crosta da estrela. A crosta da estrela de neutrões então arrefeceu, levando cerca de cem dias para voltar à temperatura observada antes da explosão. O ritmo de arrefecimento está de acordo com um modelo de computador deste processo.

Num estudo separado de outro binário de raios-X de baixa massa em Terzan 5, IGR J17480–2446 (T5 X-2 para abreviar), a estrela de neutrões ainda estava a arrefecer quando a sua temperatura foi registada cinco anos e meio depois de se saber ter tido um surto. Estes resultados mostram que a capacidade da crosta desta estrela de neutrões em transferir ou conduzir calor pode ser menor do que a que os astrónomos encontraram noutras estrelas de neutrões a arrefecer ou em binários de raios-X de baixa massa. Esta diferença na capacidade de conduzir calor pode estar relacionada com o facto de T5 X-2 ter um campo magnético maior em comparação com outras estrelas de neutrões em arrefecimento, ou ser muito mais jovem do que T5 X-3.

O trabalho sobre a estrela de neutrões de arrefecimento rápido, liderado por Nathalie Degenaar da Universidade de Amesterdão, Países Baixos, foi publicado na edição de Junho de 2015 da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. O estudo da estrela de neutrões de arrefecimento lento, liderado por Laura Ootes, na altura da Universidade de Amesterdão, foi publicado na edição de Julho de 2019 da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Astronomia On-line
3 de Março de 2020

 

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3349: Rede LIGO-Virgo detecta outra colisão de estrelas de neutrões

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista da colisão de duas estrelas de neutrões.
Crédito: NSF/LIGO/Universidade Estatal de Sonoma/A. Simonnet

No dia 25 de Abril de 2019, o Observatório LIGO em Livingston captou o que pareciam ser ondulações gravitacionais de uma colisão de duas estrelas de neutrões. O LIGO em Livingston faz parte de uma rede que inclui o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), financiado pela NSF (National Science Foundation) e o detector europeu Virgo. Agora, um novo estudo confirma que este evento foi provavelmente o resultado de uma fusão de duas estrelas de neutrões. Esta seria apenas a segunda vez que este tipo de evento foi observado em ondas gravitacionais.

A primeira observação deste tipo, realizada em Agosto de 2017, fez história por ser a primeira vez que tanto ondas gravitacionais como luz foram detectadas a partir do mesmo evento cósmico. A fusão de 25 de Abril, por outro lado, não resultou na detecção de qualquer luz. No entanto, através de uma análise apenas dos dados das ondas gravitacionais, os investigadores descobriram que a colisão produziu um objecto com uma massa invulgarmente alta.

“A partir de observações convencionais com luz, já conhecíamos 17 sistemas binários de estrelas de neutrões na nossa própria Galáxia e estimámos as massas destas estrelas,” diz Ben Farr, membro da equipa do LIGO na Universidade de Oregon. “O que é surpreendente é que a massa combinada deste binário é muito maior do que o esperado.”

“Detectámos um segundo evento consistente com um sistema binário de estrelas de neutrões e esta é uma importante confirmação do evento de Agosto de 2017 que assinalou há dois anos um emocionante novo começo para a astronomia multi-mensageira,” comenta Jo van den Brand, porta-voz do Virgo e professor na Universidade de Maastricht, em Nikhef e na Vrije Universiteit em Amesterdão, Países Baixos. A astronomia multi-mensageira ocorre quando diferentes tipos de sinais são testemunhados simultaneamente, como aqueles baseados em ondas gravitacionais e luz.

O estudo, submetido à revista The Astrophysical Journal Letters, é da autoria de uma equipa internacional composta pela Colaboração Científica LIGO e pela Colaboração Virgo, esta última associada ao detector de ondas gravitacionais Virgo na Itália. Os resultados foram apresentados no passado dia 6 de Janeiro na 235.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Honolulu, Hawaii.

As estrelas de neutrões são os remanescentes de estrelas moribundas que sofrem explosões catastróficas à medida que entram em colapso no final das suas vidas. Quando duas estrelas de neutrões espiralam uma em direcção à outra, sofrem uma fusão violenta que expele ondulações gravitacionais através do tecido do espaço e do tempo.

O LIGO tornou-se o primeiro observatório a detectar directamente ondas gravitacionais em 2015; nesse caso, as ondas foram geradas pela feroz colisão de dois buracos negros. Desde então, o LIGO e o Virgo detectaram dúzias de candidatos a fusões de buracos negros.

A fusão de estrelas de neutrões de Agosto de 2017 foi captada pelos dois detectores LIGO, um em Livingston, no estado norte-americano do Louisiana, e o outro em Hanford, Washington, juntamente com uma série de telescópios espalhados por todo o mundo (as colisões de estrelas de neutrões produzem luz e pensa-se que as colisões de buracos negros não). Esta fusão não foi visível claramente nos dados do Virgo, mas esse facto forneceu informações importantes que finalmente identificaram a localização do evento no céu.

O evento de Abril de 2019 foi identificado pela primeira vez em dados apenas do detector LIGO Livingston. O detector LIGO Hanford estava na altura temporariamente offline e, a uma distância de mais de 500 milhões de anos-luz, o evento era fraco demais para ser detectável nos dados do Virgo. Usando os dados de Livingston, combinados com informações derivadas dos dados do Virgo, a equipa reduziu a localização do evento para uma região do céu com mais de 8200 graus quadrados em tamanho, ou cerca de 20% do céu. Em comparação, o evento de Agosto de 2017 foi reduzido a uma região de apenas 16 graus quadrados, ou 0,04% do céu.

“Este é o nosso primeiro evento publicado para a detecção num único observatório,” diz Anamaria Effler do Caltech, cientista que trabalha no LIGO Livingston. “Mas o Virgo deu uma contribuição valiosa. Usámos informações sobre a sua não-detecção para nos dizer aproximadamente de onde o sinal deve ter tido origem.”

Os dados do LIGO revelam que a massa combinada dos corpos fundidos é de aproximadamente 3,4 vezes a massa do nosso Sol. Na nossa Galáxia, os sistemas binários de estrelas de neutrões conhecidos combinam massas até 2,9 vezes a do Sol. Uma possibilidade para a massa extraordinariamente alta é que a colisão ocorreu não entre duas estrelas de neutrões, mas entre uma estrela de neutrões e um buraco negro, já que os buracos negros são mais massivos que as estrelas de neutrões. Mas se fosse esse o caso, o buraco negro teria que ser excepcionalmente pequeno para a sua classe. Ao invés, os cientistas pensam que é muito mais provável que o LIGO tenha testemunhado a destruição de duas estrelas de neutrões.

“O que sabemos a partir dos dados é as massas, e as massas individuais provavelmente correspondem a estrelas de neutrões. No entanto, como um sistema binário de estrelas de neutrões, a massa total é muito mais elevada do que em qualquer outro binário conhecido na Via Láctea,” diz Surabhi Sachdev, membro da equipa LIGO com sede na Universidade Estatal da Pensilvânia. “E isso pode ter implicações interessantes sobre como o par se formou originalmente.”

Pensa-se que os pares de estrelas de neutrões se formem de duas maneiras possíveis. Podem formar-se a partir de sistemas binários de estrelas massivas que terminam as suas vidas como estrelas de neutrões, ou podem surgir quando duas estrelas de neutrões formadas separadamente se agrupam num ambiente estelar denso. Os dados do LIGO para o evento de 25 Abril não indicam qual dos cenários é o mais provável, mas sugerem que são necessários mais dados e novos modelos para explicar a massa inesperadamente alta da fusão.

Astronomia On-line
10 de Janeiro de 2020

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3328: Astrónomos encontram buracos negros errantes e massivos em galáxias anãs

CIÊNCIA/ESPAÇO

Impressão de artista de uma galáxia anã, com a sua forma distorcida, provavelmente por uma interacção passada com outra galáxia, e um buraco negro massivo nos seus arredores (inserção). O buraco negro está a atrair material que forma um disco giratório e produz jactos de material expelidos para fora.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Os astrónomos que procuram aprender mais sobre os mecanismos que formaram os buracos negros massivos no início da história do Universo ganharam novas pistas importantes com a descoberta de 13 desses buracos negros em galáxias anãs a menos de mil milhões de anos-luz da Terra.

Estas galáxias anãs, mais de 100 vezes menos massivas do que a nossa própria Via Láctea, estão entre as galáxias mais pequenas que se sabem abrigar buracos negros gigantes. Os cientistas esperam que os buracos negros nestas galáxias pequenas tenham, em média, cerca de 400.000 vezes a massa do nosso Sol.

“Esperamos, ao estudar estes buracos negros e as suas galáxias, melhor compreender como buracos negros semelhantes no Universo primitivo se formaram e depois cresceram, através de fusões galácticas ao longo de milhares de milhões de anos, produzindo os buracos negros super-massivos que vemos hoje em galáxias maiores, com massas de milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do Sol,” disse Amy Reines da Universidade Estatal do Montana, EUA.

Reines e colegas usaram o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation) para fazer a descoberta, que relataram na reunião da Sociedade Astronómica Americana em Honolulu, Hawaii.

Reines e colaboradores usaram o VLA para descobrir o primeiro buraco negro massivo numa galáxia anã com formação estelar explosiva em 2011. Essa descoberta foi uma surpresa para os astrónomos e estimulou uma pesquisa no rádio por mais.

Os cientistas começaram por seleccionar uma amostra de galáxias do Atlas NASA-Sloan, um catálogo de galáxias feito com telescópios ópticos. Depois, escolheram galáxias com estrelas que totalizavam menos de 3 mil milhões de vezes a massa do Sol, mais ou menos a massa da Grande Nuvem de Magalhães, uma pequena companheira da Via Láctea. A partir desta amostra, escolheram candidatos que também apareciam no levantamento FIRST (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters) do NRAO (National Radio Astronomy Observatory), realizado entre 1993 e 2011.

Usaram então o VLA para criar imagens novas, mais sensíveis e de alta resolução de 111 das galáxias seleccionadas.

“As novas observações do VLA revelaram que 13 destas galáxias têm fortes evidências de um enorme buraco negro que está a consumir activamente o material circundante. Ficámos muito surpresos ao descobrir que, em aproximadamente metade destas 13 galáxias, o buraco negro não está no centro da galáxia, ao contrário das galáxias maiores,” explicou reines.

Os cientistas disseram que isto indica que as galáxias provavelmente fundiram-se com outras no início da sua história. Isto é consistente com simulações de computador que preveem que aproximadamente metade dos buracos negros massivos nas galáxias anãs podem ser encontrados a vaguear nos arredores das suas galáxias.

“Este trabalho ensinou-nos que devemos ampliar as nossas buscas por buracos negros massivos em galáxias anãs para lá dos seus centros a fim de obter uma compreensão mais completa da população e aprender quais os mecanismos que ajudaram a formar os primeiros buracos negros massivos no início do Universo,” concluiu Reines.

Astronomia On-line
7 de Janeiro de 2020

spacenews

 

Um buraco negro enfraquecido permite que a sua galáxia “desperte”

CIÊNCIA

O Enxame da Fénix contém o primeiro buraco negro super-massivo confirmado que não consegue impedir a formação de grandes números de estrelas no núcleo do enxame de galáxias onde reside.
Esta imagem foi composta a partir de dados obtidos pelo Chandra, pelo Hubble e pelo VLA. Os raios-X do Chandra ilustram gás quente em roxo e a emissão rádio do VLA mostra jactos em vermelho. Os dados ópticos do Hubble mostram galáxias (em amarelo) e filamentos de gás mais frio onde as estrelas se estão a formar (em azul claro).
Crédito: NASA, ESA e NRAO (clique aqui para ver versão legendada)

Os astrónomos confirmaram o primeiro exemplo de um enxame de galáxias onde um grande número de estrelas está a nascer no seu núcleo. Usando dados de telescópios espaciais da NASA e de um observatório de rádio da NSF (National Science Foundation), investigadores reuniram novos detalhes sobre como os buracos negros mais massivos do Universo afectam as suas galáxias hospedeiras.

Os enxames de galáxias são as maiores estruturas do cosmos mantidas juntas pela gravidade, consistindo de centenas ou milhares de galáxias embebidas em gás quente, bem como de matéria escura invisível. Os maiores buracos negros super-massivos encontram-se em galáxias nos centros destes enxames.

Durante décadas, os astrónomos procuraram enxames galácticos contendo ricos berçários de estrelas nas suas galáxias centrais. Em vez disso, encontraram buracos negros gigantes e poderosos, bombardeando energia através de jactos de partículas altamente energéticas e mantendo o gás demasiado quente para formar muitas estrelas.

Agora, os cientistas têm evidências convincentes de um enxame de galáxias em que as estrelas se formam a uma velocidade furiosa, aparentemente ligadas a um buraco negro menos eficaz no seu centro. Neste enxame único, os jactos do buraco negro central parecem ajudar na formação estelar. Os investigadores usaram novos dados do Observatório de raios-X Chandra e do Telescópio Espacial Hubble da NASA, e do VLA (Karl Jansky Very Large Array) da NSF para esclarecer observações anteriores deste enxame.

“Este é um fenómeno que os astrónomos têm tentado encontrar há muito tempo,” disse Michael McDonald, astrónomo do MIT (Massachusetts Institute of Technology) que liderou o estudo. “Este enxame demonstra que, em alguns casos, o ‘output’ energético de um buraco negro pode realmente melhorar o arrefecimento, levando a consequências dramáticas.”

O buraco negro está no centro de um enxame de galáxias chamado Enxame da Fénix, localizado a mais ou menos 5,8 mil milhões de anos-luz da Terra na direcção da constelação da Fénix. A grande galáxia que hospeda o buraco negro é cercada por gás quente com temperaturas de milhões de graus. A massa deste gás, equivalente a biliões de sóis, é várias vezes maior do que a massa combinada de todas as galáxias do enxame.

Este gás quente perde energia à medida que brilha em raios-X, o que deve fazer com que arrefeça até formar um grande número de estrelas. No entanto, em todos os outros enxames galácticos observados, explosões energéticas impulsionadas por um buraco negro fazem com que a maior parte do gás quente não arrefeça, impedindo o nascimento generalizado de estrelas.

“Imagine usar um ar condicionado na sua casa num dia quente, mas depois acender a sua lareira. A sua sala de estar não consegue arrefecer adequadamente até que apague o fogo,” disse o co-autor Brian McNamara da Universidade de Waterloo no Canadá. “Da mesma forma, quando a capacidade de aquecimento de um buraco negro é desactivada num enxame de galáxias, o gás pode então arrefecer.”

As evidências desta rápida formação estelar no Enxame da Fénix já tinham sido anteriormente relatadas em 2012 por uma equipa liderada por McDonald. Mas foram necessárias observações mais profundas para aprender detalhes sobre o papel do buraco negro central no renascimento de estrelas na galáxia central, e como isso pode mudar no futuro.

Combinando longas observações em raios-X, no visível e no rádio, os investigadores obtiveram uma melhoria de dez vezes na qualidade dos dados em comparação com as observações anteriores. Os novos dados do Chandra revelam que o gás quente está a arrefecer quase ao ritmo esperado na ausência de energia injectada por um buraco negro. Os novos dados do Hubble mostram que estão localizadas cerca de 10 mil milhões de massas solares de gás frio ao longo dos filamentos que conduzem ao buraco negro, e jovens estrelas estão a formar-se a partir deste gás frio a um ritmo de mais ou menos 500 massas solares por ano. Em comparação, a Via Láctea forma estrelas a um ritmo de aproximadamente uma massa solar por ano.

Os dados rádio do VLA revelam jactos saindo da vizinhança do buraco negro central. Estes jactos provavelmente insuflaram bolhas no gás quente detectado nos dados do Chandra. Tanto os jactos quanto as bolhas são evidências do rápido crescimento do buraco negro. No início deste crescimento, o buraco negro pode ter sido sub-dimensionado, em comparação com a massa da sua galáxia hospedeira, o que permitiria que o arrefecimento rápido não tivesse controlo.

“No passado, as explosões do buraco negro sub-dimensionado podem ter sido simplesmente fracas demais para aquecer os seus arredores, permitindo que o gás quente começasse a arrefecer,” disse o coautor Matthew Bayliss, investigador do MIT durante este estudo, mas que recentemente ingressou no corpo docente da Universidade de Cincinnati. “Mas, à medida que o buraco negro se tornou mais massivo e mais poderoso, a sua influência aumentou.”

O arrefecimento pode continuar quando o gás é transportado para longe do centro do enxame pelas explosões do buraco negro. A uma distância maior da influência do aquecimento do buraco negro, o gás arrefece mais depressa do que pode cair para o centro do enxame. Este cenário explica a observação de que o gás frio está localizado em redor das cavidades, com base numa comparação dos dados do Chandra e do Hubble.

Eventualmente, a explosão gerará turbulência, ondas sonoras e ondas de choque suficientes (parecidas às explosões sónicas produzidas pelos aviões supersónicos) para fornecer fontes de calor e impedir mais arrefecimento. Isto continuará até que a explosão cesse e o acumular de gás frio possa recomeçar. O ciclo inteiro pode então repetir-se.

“Estes resultados mostram que o buraco negro tem ajudado temporariamente na formação estelar, mas quando este se fortalece os seus efeitos começam a emitir os de buracos negros noutros enxames, sufocando mais nascimento estelar,” acrescentou o co-autor Mark Voit da Universidade Estatal do Michigan em East Lansing, EUA.

A ausência de objectos semelhantes mostra que os enxames de galáxias e os seus enormes buracos negros passam pela rápida fase de formação estelar de forma relativamente acelerada.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado numa edição recente da revista The Astrophysical Journal e uma pré-impressão está disponível online.

Astronomia On-line
26 de Novembro de 2019

 

2304: Novo método pode resolver a dificuldade de medir a expansão do Universo

Impressão de artista da explosão e do surto de ondas gravitacionais emitidas quando um par de estrelas de neutrões super-densas colidem. Novas observações com radiotelescópios mostram que estes eventos podem ser usados para medir o ritmo de expansão do Universo.
Crédito: NRAO/AUI/NSF

Usando radiotelescópios da NSF (National Science Foundation), os astrónomos demonstraram como uma combinação de observações de ondas gravitacionais e rádio, juntamente com uma modelagem teórica, pode transformar as fusões de pares de estrelas de neutrões numa “régua cósmica” capaz de medir a expansão do Universo e resolver uma questão pendente sobre o seu ritmo.

Os astrónomos usaram o VLBA (Very Long Baseline Array), o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o GBT (Robert C. Byrd Green Bank Telescope) para estudar as consequências da colisão de duas estrelas de neutrões que produziram ondas gravitacionais detectadas em 2017. Este evento fornece uma nova maneira de medir o ritmo de expansão do Universo, conhecido pelos cientistas como a Constante de Hubble. O ritmo de expansão do Universo pode ser usado para determinar o seu tamanho e idade, além de servir como uma ferramenta essencial para interpretar observações de objectos noutras partes do Universo.

Dois métodos principais de determinação da Constante de Hubble usam as características da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, radiação remanescente do Big Bang, ou um tipo específico de explosões de super-nova, de nome super-novas do Tipo Ia, no Universo distante. No entanto, estes dois métodos fornecem resultados diferentes.

“A fusão de estrelas de neutrões dá-nos uma nova maneira de medir a constante de Hubble e, esperançosamente, de resolver o problema,” disse Kunal Mooley, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e do Caltech.

A técnica é semelhante à que usa explosões de super-nova. Pensa-se que as explosões de super-nova do Tipo Ia tenham todas um brilho intrínseco que pode ser calculado com base na velocidade com que crescem e diminuem de brilho. A medição deste brilho, a partir da Terra, indica-nos a distância da explosão de super-nova. A medição do desvio Doppler da luz da galáxia hospedeira indica a velocidade a que a galáxia se está a afastar da Terra. A velocidade, dividida pela distância, produz a constante de Hubble. Para obter um valor preciso, têm que ser feitas muitas medições a distâncias diferentes.

Quando duas estrelas de neutrões colidem, produzem uma explosão e um surto de ondas gravitacionais. A forma do sinal da onda gravitacional diz aos cientistas quão “brilhante” foi esse surto de ondas gravitacionais. A medição do “brilho”, ou intensidade das ondas gravitacionais recebidas na Terra, pode fornecer a distância.

“Este é um meio completamente independente de esclarecermos o verdadeiro valor da Constante de Hubble,” disse Mooley.

No entanto, há uma reviravolta. A intensidade das ondas gravitacionais varia com a sua orientação em relação ao plano orbital das duas estrelas de neutrões. As ondas gravitacionais são mais fortes na direcção perpendicular ao plano orbital e mais fracas se o plano orbital estiver de lado, visto da perspectiva da Terra.

“A fim de usar as ondas gravitacionais para medir a distância, precisávamos de conhecer essa orientação,” explicou Adam Deller, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália.

Durante um período de meses, os astrónomos usaram os radiotelescópios para medir o movimento de um jacto super-rápido de material ejectado da explosão. “Nós usámos estas medições, juntamente com simulações hidrodinâmicas detalhadas, para determinar o ângulo de orientação, permitindo assim a utilização das ondas gravitacionais para descobrir a distância,” disse Ehud Nakar da Universidade de Tel Aviv.

Os cientistas dizem que esta única medição, de um evento a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, ainda não é suficiente para resolver a incerteza, mas a técnica agora pode ser aplicada a futuras fusões de estrelas de neutrões detectadas com ondas gravitacionais.

“Pensamos que mais 15 eventos deste tipo, que podem ser observados tanto com ondas gravitacionais quanto em grande com radiotelescópios, podem resolver o problema,” disse Kenta Hotokezaka, da Universidade de Princeton. “Este seria um avanço importante na nossa compreensão de um dos aspectos mais importantes do Universo,” acrescentou.

A equipa científica internacional liderada por Hotokezaka divulgou os seus resultados num artigo publicado na revista Nature Astronomy.

Astronomia On-line
12 de Julho de 2019

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1936: LIGO e Virgo detectam novas colisões

Impressão de artista da colisão de duas estrelas de neutrões.
Crédito: NASA/Swift/Dana Berry

No dia 25 de Abril de 2019, o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e o detector europeu Virgo registaram ondas gravitacionais do que parece ser um choque entre duas estrelas de neutrões – os remanescentes densos de estrelas massivas que tinham explodido anteriormente. Um dia mais tarde, 26 de Abril, a rede LIGO-Virgo identificou outra fonte candidata com uma reviravolta potencialmente interessante: pode, de facto, ter resultado da colisão entre uma estrela de neutrões e um buraco negro, um evento nunca antes visto.

“O Universo está a dizer-nos para ficarmos atentos,” diz Patrick Brady, porta-voz da Colaboração Científica LIGO e professor de física na Universidade de Wisconsin-Milwaukee. “Estamos especialmente curiosos sobre o candidato de dia 26 de Abril. Infelizmente, o sinal é bastante fraco. É como ouvir alguém a sussurrar uma palavra num café movimentado; pode ser difícil distinguir a palavra ou até mesmo ter certeza se, de facto, sussurrou. Vai levar algum tempo para chegar a uma conclusão sobre este candidato.”

“O LIGO da NSF, em colaboração com o Virgo, abriu o Universo para futuras gerações de cientistas,” diz France Córdova, directora da NSF. “Uma vez mais, testemunhámos o notável fenómeno de uma fusão de estrelas de neutrões, seguida de perto por outra possível fusão de estrelas colapsadas. Com estas novos achados, vemos as colaborações LIGO-Virgo a atingir o seu potencial de produzir regularmente descobertas que antes eram impossíveis. Os dados dessas descobertas, e de outras que certamente se seguirão, vão ajudar a comunidade científica a revolucionar a nossa compreensão do Universo invisível.”

As descobertas vêm apenas algumas semanas depois do LIGO e do Virgo terem voltado às operações. Os detectores gémeos do LIGO – um em Washington e outro no estado norte-americano do Louisiana -, juntamente com o Virgo, localizado no EGO (European Gravitational Observatory) na Itália, retomaram as operações no 1 de Abril, depois de passarem por uma série de actualizações a fim de aumentar as suas sensibilidades às ondas gravitacionais – ondulações no espaço e no tempo. Cada detector agora examina volumes maiores do Universo do que antes, procurando eventos extremos como colisões gigantescas entre buracos negros e estrelas de neutrões.

“A união de forças humanas e instrumentos com as colaborações LIGO e Virgo foi, mais uma vez, a receita para um mês científico incomparável, e a actual campanha de observação incluirá mais 11 meses,” diz Giovanni Prodi, coordenador de análise de dados do Virgo, da Universidade de Trento e do INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) na Itália. “O detector Virgo trabalha com a maior estabilidade, cobrindo o céu 90% do tempo com dados úteis. Isso ajuda-nos a apontar para as fontes, quando a rede está em pleno funcionamento e às vezes quando apenas um dos detectores LIGO está a operar. Temos muito trabalho de investigação inovadora pela frente.”

Além dos dois novos candidatos que envolvem estrelas de neutrões, a rede LIGO-Virgo, nesta última rodada, detectou três prováveis fusões de buracos negros. No total, a rede detectou, desde que fez história com a primeira detecção directa de ondas gravitacionais em 2015, evidências de duas fusões de estrelas de neutrões, 13 fusões de buracos negros e uma possível fusão entre uma estrela de neutrões e um buraco negro.

Quando dois buracos negro colidem, distorcem o tecido do espaço e do tempo, produzindo ondas gravitacionais. Quando duas estrelas de neutrões colidem, não só libertam ondas gravitacionais, mas também luz. Isto significa que os telescópios sensíveis às ondas de luz, em todo o espectro electromagnético, podem testemunhar estes poderosos impactos juntamente com o LIGO e com o Virgo. Um desses eventos ocorreu em Agosto de 2017: O LIGO e o Virgo inicialmente identificaram uma fusão de estrelas de neutrões em ondas gravitacionais e, nos dias e meses que se seguiram, cerca de 70 telescópios no solo e no espaço testemunharam o rescaldo explosivo em ondas de luz, desde raios-gama, a luz visível, a ondas de rádio.

No caso das duas candidatas recentes a estrelas de neutrões, os telescópios de todo o mundo correram mais uma vez para rastrear as fontes e captar a luz que se espera que surja dessas fusões. Centenas de astrónomos avidamente apontaram telescópios para zonas do céu suspeitas de abrigar as fontes do sinal. No entanto, desta vez, nenhuma das fontes foi identificada.

“A busca por contrapartes explosivas do sinal de ondas gravitacionais é complexa devido à quantidade de céu que tem que ser estudado e devido às rápidas mudanças esperadas no brilho,” diz Brady. “O número de fusões de estrelas de neutrões, encontradas com o LIGO e com o Virgo, trará mais oportunidades para procurar as explosões ao longo do próximo ano.”

Estima-se que a fusão de estrelas de neutrões de dia 25 de Abril, denominada S190425z, tenha ocorrido a cerca de 500 milhões de anos-luz da Terra. Apenas uma das instalações gémeas do LIGO detectou o seu sinal juntamente com o Virgo (o LIGO em Livingston testemunhou o evento, mas o LIGO de Hanford estava offline). Como apenas dois dos três detectores registaram o sinal, as estimativas da localização no céu a partir do qual teve origem não são precisas, fazendo com que os astrónomos tivessem que rastrear quase um-quarto do céu em busca da fonte.

Estima-se que a possível colisão entre uma estrela de neutrões e um buraco negro, de dia 26 de Abril (referida como S190426c), tenha tido lugar a cerca de 1,2 mil milhões de anos-luz de distância. Foi visto pelas três instalações do LIGO-Virgo, que ajudaram a restringir melhor a sua posição para regiões que cobrem mais ou menos 1100 quadrados, ou cerca de 3% do total do céu.

“A mais recente campanha de observação do LIGO-Virgo está a provar ser a mais excitante até agora,” diz David H. Reitze, do Caltech, director executivo do LIGO. “Já estamos a ver indícios da primeira observação de um buraco negro a engolir uma estrela de neutrões. Se se confirmar, será uma aposta ganha para o LIGO e Virgo – em três anos, teremos observado todos os tipos de colisões para buracos negros e estrelas de neutrões. Mas nós aprendemos que afirmações de detecções requerem uma quantidade enorme de trabalho meticuloso – verificação e reverificação -, de modo que vamos ver onde os dados nos levam.”

Astronomia On-line
7 de Maio de 2019

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1806: VLA obtém primeira imagem directa de característica principal das poderosas galáxias rádio

Impressão de artista do objeto poeirento, em forma de donut, em redor do buraco negro super-massivo, do disco de material que orbita o buraco negro, e dos jactos de material ejectados pelo disco no centro de uma galáxia. Clique aqui para ver versão sem legendas.
Crédito: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Os astrónomos usaram o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation) para fazer a primeira imagem directa de uma característica empoeirada, com a forma de um donut, em torno de um buraco negro super-massivo no núcleo de uma das mais poderosas galáxias rádio do Universo – uma característica pela primeira vez postulada pelos teóricos há quase quatro décadas como parte essencial de tais objectos.

Os cientistas estudaram Cygnus A, uma galáxia a cerca de 760 milhões de anos-luz da Terra. A galáxia abriga um buraco negro no seu núcleo que é 2,5 mil milhões de vezes mais massivo que o Sol. À medida que a poderosa atracção gravitacional do buraco negro atrai material circundante, também impulsiona jactos super-velozes de material que viajam para fora quase à velocidade da luz, produzindo “lóbulos” espectaculares e brilhantes de emissão rádio.

Os “motores centrais” movidos a buracos negros que produzem emissões brilhantes em vários comprimentos de onda, e jactos que se estendem muito além da galáxia, são comuns nestes “universo-ilha”, mas mostram propriedades diferentes quando observados. Essas diferenças levaram a uma variedade de nomes, como quasares, blazares ou galáxias Seyfert. Para explicar as diferenças, os teóricos construíram um “modelo unificado” com um conjunto comum de características que mostrariam propriedades diferentes dependendo do ângulo a partir do qual são observados.

O modelo unificado inclui o buraco negro central, um disco giratório de material em queda e em redor do buraco negro e os jactos que se deslocam para fora dos pólos do disco. Além disso, para explicar por que o mesmo tipo de objeto parece diferente quando visto de ângulos diferentes, é incluído um “toro” espesso, empoeirado e em forma de donut, rodeando as regiões interiores. O toro obscurece algumas características quando visto de lado, levando a diferenças aparentes para o observador, mesmo para objectos intrinsecamente similares. Os astrónomos geralmente denominam este conjunto comum de características de núcleo galáctico activo (NGA).

“O toro é uma parte essencial do fenómeno dos NGAs e existem evidências de tais estruturas em NGAs próximos e de baixa luminosidade, mas nunca antes tínhamos visto um, directamente, numa galáxia rádio tão brilhante,” disse Chris Carilli, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory). “O toro ajuda a explicar porque objectos conhecidos por nomes diferentes são, na verdade, a mesma coisa, apenas observados de uma perspectiva diferente,” acrescentou.

Na década de 1950, os astrónomos descobriram objectos que emitiam fortes ondas de rádio, mas pareciam pontuais, semelhantes a estrelas distantes, quando mais tarde observados com telescópios ópticos. Em 1963, Maarten Schmidt, do Caltech, descobriu que um destes objectos era extremamente distante, e outras descobertas rapidamente se seguiram. Para explicar como estes objectos, denominados quasares, podiam ser tão brilhantes, os teóricos sugeriram que deveriam estar a aproveitar a tremenda energia gravitacional de buracos negros supermassivos. A combinação de buraco negro, do disco giratório, chamado disco de acreção, e dos jactos, foi apelidada de “motor central” responsável pelos prolíficos fluxos energéticos do objeto.

O mesmo tipo de motor central também parecia explicar o fluxo de outros tipos de objectos, incluindo galáxias rádio, blazares e Galáxias Seyfert. No entanto, cada mostrava um conjunto diferente de propriedades. Os teóricos trabalharam para desenvolver um “esquema de unificação” com o intuito de explicar como a mesma coisa podia ter aspectos diferentes. Em 1977, o obscurecimento por poeira foi sugerido como um elemento desse esquema. Num artigo científico datado de 1982, Robert Antonucci, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, apresentou um desenho de um toro opaco – um objeto em forma de donut – em torno do motor central. Daquele ponto em diante, o toro obscurecido permaneceu uma característica comum da visão unificada dos astrónomos sobre todos os tipos de núcleos galácticos activos.

“Cygnus A é o exemplo mais próximo de uma poderosa galáxia de emissão rádio – 10 vezes mais próxima do que qualquer outra com uma emissão de rádio comparativamente poderosa. Essa proximidade permitiu-nos encontrar, com o VLA, o toro numa imagem de alta resolução do núcleo da galáxia,” afirmou Rick Perley, também do NRAO. “Investigações adicionais deste tipo, em objectos mais fracos e mais distantes, quase certamente vão exigir os melhoramentos em sensibilidade e resolução propostos pelo ngVLA (Next Generation Very Large Array),” realçou.

As observações do VLA revelaram directamente o gás no toro de Cygnus A, que tem um raio de aproximadamente 900 anos-luz. Os modelos de longa data para o toro sugerem que a poeira se encontra em nuvens embebidas no gás, que é um tanto ou quanto desajeitado.

“É muito bom finalmente ver evidências directas de algo que há muito presumimos estar lá,” disse Carilli. “Para determinar com mais precisão a forma e a composição deste toro, precisamos de fazer mais observações. Por exemplo o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) pode observar nos comprimentos de onda que vão revelar directamente a poeira,” acrescentou.

Carilli e Perley, juntamente com os colegas Vivek Dhawan, também do NRAO, e Daniel Perley da Universidade John Moores em Liverpool, Reino Unido, descobriram o toro quando acompanhavam a sua surpreendente descoberta, em 2016, de um novo objeto brilhante perto do centro de Cygnus A. Este novo objeto é provavelmente, dizem, um segundo buraco negro super-massivo que só recentemente encontrou material novo para devorar, fazendo com que produzisse emissões brilhantes da mesma forma que o buraco negro central. A existência do segundo buraco negro, explicam, sugere que Cygnus A se fundiu com outra galáxia no passado astronomicamente recente.

Cygnus A, assim chamado porque é o mais poderoso objeto emissor de rádio na constelação de Cisne, foi descoberto em 1946 pelo físico e radio-astrónomo inglês J.S. Hey. Foi correspondido, em 1951, a uma galáxia gigante, no visível, por Walter Baade e Rudolf Minkowski. Tornou-se um alvo inicial do VLA pouco depois da sua conclusão no início da década de 1980. Imagens detalhadas de Cygnus A, pelo VLA, publicadas em 1984, produziram grandes avanços na compreensão de tais galáxias pelos astrónomos.

Os cientistas divulgaram os seus achados num artigo científico publicado na revista The Astrophysical Journal Letters.

Astronomia On-line
5 de Abril de 2019

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Fermi da NASA cronometra pulsar “bala de canhão” que acelera através do espaço

O remanescente de super-nova CTB 1 assemelha-se a uma bolha fantasmagórico nesta imagem, que combina novas observações a 1,5 gigahertz do VLA (Very Large Array) (laranja, perto do centro) com observações mais antigas do Levantamento Canadiano do Plano Galáctico com o DRAO (Dominion Radio Astrophysical Observatory) (1,42 gigahertz, magenta e amarelo; 408 megahertz, verde) e dados infravermelhos (azul). Os dados do VLA revelam claramente a cauda brilhante e reta do pulsar J0002+6216 e o borda curva da concha do remanescente. CTB 1 tem cerca de meio-grau, o tamanho aparente de uma Lua Cheia.
Crédito: composição por Jayanne English, Universidade de Manitoba, usando dados de NRAO/F. Schinzel et al., DRAO/Levantamento Canadiano do Plano Galáctico e NASA/IRAS

Os astrónomos encontraram um pulsar que viaja pelo espaço a quase 4 milhões de quilómetros por hora – tão rápido que poderia percorrer a distância entre a Terra e a Lua em apenas seis minutos. A descoberta foi feita usando o Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA e o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation).

Os pulsares são estrelas de neutrões super-densas e de rápida rotação deixadas para trás quando uma estrela massiva explode. Esta, de nome PSR J0002+6216 (J0002, abreviado), ostenta uma cauda de emissão de rádio que aponta directamente para os destroços em expansão de uma recente explosão de super-nova.

“Graças à sua cauda estreita, parecida com um dardo, e a um ângulo de visão fortuito, podemos traçar esse pulsar de volta ao seu local de nascimento,” disse Frank Schinzel, cientista do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) em Socorro, no estado norte-americano do Novo México. “Um estudo mais aprofundado deste objeto vai ajudar-nos a entender melhor como essas explosões são capazes de ‘pontapear’ as estrelas de neutrões a uma velocidade tão alta.”

Schinzel, juntamente com os seus colegas Matthew Kerr no Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington, e Dale Frail, Urvashi Rau e Sanjay Bhatnagar do NRAO, apresentaram os seus achados na reunião da Divisão de Astrofísica de Alta Energia da Sociedade Astronómica Americana em Monterey, Califórnia. O artigo que descreve os resultados da equipa foi submetido para publicação numa edição futura da revista The Astrophysical Journal Letters.

O pulsar J0002 foi descoberto em 2017 por um projecto de cientistas cidadãos chamado Einstein@Home, que usa o tempo nos computadores de voluntários para processar dados de raios-Gama do Fermi. Graças ao tempo de processamento, colectivamente superior a 10.000 anos, o projecto identificou até à data 23 pulsares de raios-gama.

Localizado a mais ou menos 6500 anos-luz de distância na direcção da constelação de Cassiopeia, J0002 gira 8,7 vezes por segundo, produzindo um pulso de raios-gama a cada rotação.

O pulsar fica a cerca de 53 anos-luz do centro de um remanescente de super-nova chamado CTB 1. O seu movimento rápido através do gás interestelar resulta em ondas de choque que produzem a cauda de energia magnética e partículas aceleradas detectadas no rádio com o VLA. A cauda estende-se por 13 anos-luz e aponta claramente para o centro de CTB 1.

Usando dados do Fermi e uma técnica chamada tempo do pulsar, a equipa foi capaz de medir com que rapidez e em que direcção o pulsar se move ao longo da nossa linha de visão.

“Quanto maior o nosso conjunto de dados, mais poderosa é a técnica de tempo do pulsar,” explicou Kerr. “O lindo conjunto de dados de dez anos do Fermi é essencialmente o que tornou possível esta medição.”

O resultado apoia a ideia de que o pulsar foi expulso a alta velocidade pela super-nova responsável por CTB 1, que ocorreu há aproximadamente 10.000 anos.

J0002 está a acelerar pelo espaço cinco vezes mais depressa do que o pulsar médio e mais depressa do que 99% daqueles com velocidades medidas. Eventualmente acabará por escapar da nossa Galáxia.

Inicialmente, os destroços em expansão da super-nova teriam sido movidos para fora mais depressa do que J0002, mas ao longo de milhares de anos a interacção da concha com o gás interestelar produziu um arrasto que gradualmente diminui este movimento. Entretanto, o pulsar, comportando-se mais como uma bala de canhão, atravessou o remanescente, escapando cerca de 5000 anos após a explosão.

Exactamente como o pulsar foi acelerado a uma velocidade tão alta durante a explosão de super-nova, ainda não está claro, e um estudo mais aprofundado de J0002 ajudará a esclarecer o processo. Um mecanismo possível envolve instabilidades na estrela em colapso, formando uma região de matéria lenta e densa que sobrevive o tempo suficiente para servir como “rebocador gravitacional”, acelerando a estrela de neutrões nascente na sua direcção.

A equipa planeia observações adicionais usando o VLA, o VLBA (Very Long Baseline Array) da NSF e o Observatório de raios-X Chandra da NASA.

Astronomia On-line
22 de Março de 2019

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1036: VLBA MEDE CARACTERÍSTICAS DE ASTERÓIDE

Ondas de rádio de uma galáxia distante foram bloqueadas por um asteróide no nosso Sistema Solar. No entanto, num processo chamado difracção, as ondas dobram-se em redor do asteróide e interagem para formar um padrão de círculos claros e escuros. Os astrónomos analisaram este padrão para aprender novos detalhes sobre o tamanho, forma e órbita do asteróide.
Crédito: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Numa observação invulgar, os astrónomos usaram o VLBA (Very Long Baseline Array) da NSF (National Science Foundation) para estudar os efeitos nas ondas de rádio oriundas de uma distante galáxia de rádio quando um asteróide no nosso Sistema Solar passou em frente da galáxia. A observação permitiu medir o tamanho do asteróide, obter novas informações sobre a sua forma e melhorar bastante a precisão com a qual o seu percurso orbital pode ser calculado.

Quando o asteróide passou em frente da galáxia, as ondas de rádio vindas da galáxia foram ligeiramente dobradas em torno da borda do asteróide, num processo chamado difracção. À medida que estas ondas interagiam entre si, produziam um padrão circular de ondas mais fortes e mais fracas, semelhante aos padrões de círculos claros e escuros produzidos em experiências de laboratório terrestres com ondas de luz.

“Ao analisarmos os padrões das ondas de rádio difractadas durante este evento, fomos capazes de aprender muito mais sobre o asteróide, incluindo o seu tamanho e posição precisa, e obter pistas valiosas sobre a sua forma,” disse Jorma Harju, da Universidade de Helsínquia na Finlândia.

O asteróide, chamado Palma, encontra-se na cintura principal de asteróides entre Marte e Júpiter. Descoberto em 1893 pelo astrónomo francês Auguste Charlois, Palma completa uma órbita em redor do Sol a cada 5,59 anos. No dia 15 de maio de 2017, obscureceu as ondas de rádio de uma galáxia chamada 0141+268 com a sombra de rádio traçando um caminho que ia mais ou menos de sudoeste para noroeste, cruzando a estação do VLBA em Brewster, no estado norte-americano de Washington. A sombra atravessou a superfície da Terra a 51,5 km/s.

Além da antena Brewster do VLBA, os astrónomos também usaram antenas do VLBA na Califórnia, Texas, Arizona e Novo México. A passagem do asteróide em frente da galáxia de rádio, um evento chamado ocultação, afectou as características dos sinais recebidos em Brewster quando combinados com os das outras antenas.

Análises extensivas destes efeitos permitiram aos astrónomos tirar conclusões sobre a natureza do asteróide. Em íntima concordância com as observações anteriores, mediram o diâmetro do asteróide em 192 quilómetros. Também aprenderam que Palma, como a maioria dos outros asteróides, diferente significativamente de uma esfera perfeita, com um lado provavelmente escavado. A determinação da forma, dizem os astrónomos, pode ser melhorada combinando os dados de rádio com as observações ópticas anteriores do asteróide.

Os astrónomos, amadores e profissionais, geralmente observam ocultações de estrelas por asteróides e registam a mudança de brilho, ou intensidade, da luz estelar quando o asteróide passa à sua frente. A observação do VLBA é única porque também permitiu que os astrónomos medissem a quantidade pela qual os picos das ondas foram deslocados pela difracção, um efeito chamado mudança de fase.

“Isto permitiu-nos restringir a forma de Palma com uma única medida curta,” afirma Leonid Petrov, afiliado ao Laboratório de Geodesia e Geofísica do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA.

“A observação de uma ocultação por um asteróide, usando o VLBA, mostrou-se um método extremamente poderoso para medir o tamanho de asteróides. Além disso, estes dados de rádio revelariam imediatamente formas peculiares ou companheiros binários. Isso significa que estas técnicas serão, sem dúvida, usadas para futuros estudos de asteróides,” realça Kimmo Lehtinen, do Instituto Finlandês de Pesquisa Geoespacial em Masala, Finlândia.

Um resultado importante da observação foi o melhoramento da precisão com que a órbita do asteróide pode ser calculada.

“Embora a posição de Palma tenha sido medida mais de 1600 vezes ao longo dos últimos 120 anos, esta única medição do VLBA reduziu a incerteza na órbita calculada por um factor de 10,” comenta Mikael Granvik, da Universidade de Tecnologia de Lulea na Suécia e da Universidade de Helsínquia, Finlândia.

“Esta é uma utilização bastante invulgar do VLBA, e demonstra que as excelentes capacidades técnicas do VLBA, juntamente com a sua grande flexibilidade como ferramenta de investigação, pode contribuir de algumas formas inesperadas para muitos campos da astronomia,” conclui Jonathan Romney do LBO (Long Baseline Observatory), que opera o VLBA.

Astronomia On-line
18 de Setembro de 2018

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978: OBSERVAÇÕES RÁDIO CONFIRMAM JACTO VELOZ DE MATERIAL DE FUSÃO DE ESTRELAS DE NEUTRÕES

Rescaldo da fusão de duas estrelas de neutrões. Material ejectado da explosão original formou uma concha em redor do buraco negro formado a partir da colisão. Um jacto de material expelido de um disco em redor do buraco negro interagiu em primeiro lugar com o material ejectado para formar um “casulo” amplo. Mais tarde, o jacto conseguiu atravessar o casulo para emergir para o espaço interestelar, onde o seu movimento extremamente rápido se tornou aparente.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Medições precisas usando uma colecção continental de radiotelescópios da NSF (National Science Foundation) revelaram que um jacto estreito de partículas se movendo quase à velocidade da luz irrompeu no espaço interestelar depois que um par de estrelas de neutrões se fundiram numa galáxia a 130 milhões de anos-luz da Terra. A fusão, cujo sinal foi captado em Agosto de 2017, expulsou ondas gravitacionais pelo espaço. Foi o primeiro evento a ser detectado tanto por ondas gravitacionais como por ondas electromagnéticas, incluindo raios-gama, raios-X, luz visível e ondas de rádio.

O rescaldo da fusão, de nome GW170817, foi observado por telescópios espaciais e terrestres espalhados pelo globo. Os cientistas observaram as características das ondas recebidas a mudar com o tempo e usaram essas alterações como pistas para revelar a natureza dos fenómenos que se seguiram à fusão.

Uma questão que se destacou, mesmo meses após a fusão, era se o evento havia produzido ou não um jacto estreito e veloz de material que chegou ao espaço interestelar. É uma questão importante, porque esses jactos são necessários para produzir o tipo de explosões de raios-gama que os teóricos dizem ser provocadas pela fusão de pares de estrelas de neutrões.

A resposta surgiu quando os astrónomos usaram uma combinação do VLBA (Very Long Baseline Array) da NSF, do VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e do GBT (Robert C. Byrd Green Bank Telescope) e descobriram que uma região de emissão de rádio da fusão tinha-se movido e o movimento era tão rápido que apenas um jacto podia explicar a sua velocidade.

“Nós medimos um movimento aparente que é quatro vezes mais rápido do que a luz. Essa ilusão, chamada de movimento superluminal, resulta quando o jacto é apontado quase na direcção da Terra e o material no jacto aproxima-se da velocidade da luz,” comenta Kunal Mooly, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e do Caltech.

Os astrónomos observaram o objecto 75 dias após a fusão e novamente 230 dias depois.

“Com base na nossa análise, este jacto é provavelmente muito estreito, no máximo com 5 graus de largura, e foi apontado a apenas 20 graus da direcção da Terra,” salienta Adam Deller, da Universidade de Tecnologia de Swinburne e anteriormente do NRAO. “Mas, para coincidir com as nossas observações, o material no jacto tem que ter sido expelido a mais de 97% da velocidade da luz,” acrescentou.

O cenário que surgiu é que a fusão inicial das duas estrelas de neutrões super-densas provocou uma explosão que impulsionou uma “concha” esférica de detritos para fora. As estrelas de neutrões colapsaram num buraco negro cuja poderosa gravidade começou a puxar o material na sua direcção. Esse material formou um disco com rotação rápida, que por sua vez gerou um par de jactos que se movem para fora dos seus pólos.

À medida que o evento se desenrolava, a questão alterou-se para determinar se os jactos irromperiam da “concha” de detritos da explosão original. Os dados das observações indicaram que um jacto tinha interagido com os detritos, formando um “casulo” amplo de material que se expandia para fora. Esse casulo expande-se mais lentamente do que um jacto.

“A nossa interpretação é que o casulo dominou a emissão rádio até cerca de 60 dias após a fusão, e que depois o jacto é que dominou a emissão,” comenta Ore Gottlieb, da Universidade de Tel Aviv, um dos principais teóricos do estudo.

“Tivemos a sorte de poder observar este evento, porque se o jacto tivesse sido apontado para muito mais longe da [perspectiva da] Terra, a emissão rádio teria sido demasiado fraca para a detectarmos,” observa Gregg Hallinan do Caltech.

Os cientistas afirmaram que a detecção de um jacto veloz em GW170817 fortalece bastante a ligação entre as fusões de estrelas de neutrões e as explosões de raios-gama de curta duração. Acrescentaram também que é necessário que os jactos apontem para relativamente perto da Terra para que a explosão de raios-gama seja detectada.

“O nosso estudo demonstra que a combinação de observações do VLBA, do VLA e do GBT é um método poderoso de estudar os jactos e a física associada com os eventos de ondas gravitacionais,” realça Mooley.

“O evento de fusão foi importante por várias razões, e continua a surpreender os astrónomos com mais informações,” observa Joe Pesce, director do programa da NSF para o NRAO. “Os jactos são fenómenos enigmáticos vistos em vários ambientes, e agora estas observações extraordinárias na faixa de rádio do espectro electromagnético estão a proporcionar uma visão fascinante sobre elas, ajudando-nos a entender como funcionam.”

Mooley e colegas relataram as suas descobertas na versão online da revista Nature de dia 5 de Setembro.

Astronomia On-line
7 de Setembro de 2018

(Foram corrigidos 42 erros ortográficos ao texto original)

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740: ATÉ ESTRELAS DE NEUTRÕES FENOMENALMENTE DENSAS CAEM COMO UMA PENA

Impressão de artista do sistema triplo PSR J0337+1715, localizado a mais ou menos 4200 anos-luz da Terra. Este sistema fornece um laboratório natural para testar teorias fundamentais da gravidade.
Crédito: NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

Aproveitando a extraordinária sensibilidade do GBT (Green Bank Telescope) da NSF (National Science Foundation), os astrónomos fizeram o teste mais rigoroso, até agora, de uma das previsões de Einstein sobre a gravidade. Ao rastrear precisamente as trajectórias de três estrelas num único sistema – duas estrelas anãs brancas e uma estrela de neutrões ultra-densa – os investigadores determinaram que até as estrelas de neutrões fenomenalmente compactas “caem” da mesma maneira que as suas homólogas menos densas, um aspecto da natureza chamado de “Princípio da Equivalência Forte” de Einstein.

A compreensão da gravidade de Einstein, conforme descrita na sua teoria geral da relatividade, prevê que todos os objectos caem à mesma proporção, independentemente da sua massa ou composição. Esta teoria passou teste após teste aqui na Terra, mas será que ainda é verdadeira para alguns dos objectos mais massivos e densos do Universo conhecido, um aspecto da natureza conhecido como o Princípio da Equivalência? Uma equipa internacional de astrónomos deu a esta persistente questão o seu teste mais rigoroso de todos os tempos. Os seus achados, publicados na revista Nature, mostram que o conhecimento de Einstein sobre a gravidade ainda prevalece, mesmo num dos cenários mais extremos que o Universo pode oferecer.

Retire todo o ar e um martelo e uma pena cairão à mesma velocidade – um conceito explorado por Galileu no final do século XVI e famosamente ilustrado na Lua pelo astronauta David Scott da Apollo 15.

Embora tivesse como base a física newtoniana, foi preciso a teoria da gravidade de Einstein para expressar como e porque é que isso acontece. As equações de Einstein passaram em todos os testes, desde cuidadosos estudos laboratoriais até observações de planetas no nosso Sistema Solar. Mas as alternativas à teoria geral da relatividade de Einstein prevêem que objectos compactos com gravidade extremamente forte, como as estrelas de neutrões, caem um pouco diferente dos objectos de menor massa. Essa diferença, prevêem as teorias alternativas, seria devido à energia de ligação gravitacional do objecto compacto – a energia gravitacional que o mantém unido.

Em 2011, o GBT da NSF descobriu um laboratório natural para testar esta teoria em condições extremas: um sistema estelar triplo chamado PSR J0337+1715, localizado a cerca de 4200 anos-luz da Terra. Este sistema contém uma estrela de neutrões numa órbita de 1,6 dias com uma estrela anã branca, e o par orbita outra anã branca mais distante a cada 327 dias.

“Este é um sistema estelar único,” afirma Ryan Lynch do GBT, no estado norte-americano da Virgínia Ocidental, co-autor do artigo. “Não sabemos de nenhum outro como ele. Isso torna-o num laboratório único para pôr à prova as teorias de Einstein.”

Desde a sua descoberta que o sistema triplo tem sido observado regularmente pelo GBT, pelo WSRT (Westerbork Synthesis Radio Telescope) nos Países Baixos e pelo Observatório de Arecibo da NSF em Porto Rico. O GBT passou mais de 400 horas a observar este sistema, obtendo dados e calculando como cada objecto se move em relação aos outros.

Como é que estes telescópios conseguiram estudar este sistema? Esta estrela de neutrões em particular é na verdade um pulsar. Muitos pulsares giram com uma consistência que rivaliza alguns dos relógios atómicos mais precisos da Terra. “Como um dos radiotelescópios mais sensíveis do mundo, o GBT está preparado para captar esses leves pulsos de ondas de rádio com o objectivo de estudar a física extrema,” acrescenta Lynch. A estrela de neutrões neste sistema pulsa (gira) 366 vezes por segundo.

“Podemos explicar cada pulso da estrela de neutrões desde que começámos as nossas observações,” explica Anne Archibald da Universidade de Amesterdão, do Instituto Holandês de Radioastronomia e autora principal do artigo. “Podemos determinar a sua posição até algumas centenas de metros. É uma determinação realmente precisa de onde a estrela de neutrões esteve e para onde está a ir.”

Se as alternativas à gravidade de Einstein estivessem corretas, então a estrela de neutrões e a anã branca interior cairiam de forma diferente em relação à anã branca exterior. “A anã branca interior não é tão massiva nem tão compacta quanto a estrela de neutrões e, portanto, tem menos energia de ligação gravitacional,” comenta Scott Ransom, astrónomos do NRAO (National Radio Astronomy) em Charlottesville, no estado norte-americano da Virgínia, co-autor do artigo.

Através de meticulosas observações e de cálculos cuidadosos, a equipa foi capaz de testar a gravidade do sistema usando apenas os pulsos da estrela de neutrões. Eles descobriram que qualquer diferença de aceleração entre a estrela de neutrões e a anã branca interior é pequena demais para ser detectada.

“Se houver uma diferença, não será mais do que três partes por milhão,” afirma a co-autora Nina Gusinskaia da Universidade de Amesterdão. Isto coloca severas restrições a quaisquer teorias alternativas à relatividade geral.

Este resultado é dez vezes mais preciso do que o melhor teste anterior da gravidade, tornando as evidências do Princípio da Equivalência Forte de Einstein muito mais fortes. “Estamos sempre à procura de melhores medições em novos locais, de modo que a nossa busca para aprender mais sobre novas fronteiras no Universo vai continuar,” conclui Ransom.

Astronomia On-line
6 de Julho de 2018

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670: ASTRÓNOMOS VÊM ERUPÇÃO DISTANTE À MEDIDA QUE BURACO NEGRO DESTRÓI UMA ESTRELA

Impressão de artista de um evento de ruptura de maré em Arp 299. A poderosa gravidade do buraco negro super-massivo despedaça a estrela, puxando material para um disco giratório em redor do buraco negro, e lançando para fora um jacto de partículas. A imagem de fundo é uma imagem do par de galáxias em colisão Arp 299, pelo Telescópio Espacial Hubble.
Crédito. Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; NASA, STScI

Pela primeira vez, os astrónomos observaram directamente a formação e expansão de um jacto veloz de material expulso quando a poderosa gravidade de um buraco negro super-massivo rasgou uma estrela que se aproximou demasiado do monstro cósmico.

Os cientistas acompanharam o evento com radiotelescópios e telescópios infravermelhos, incluindo o VLBA (Very Long Baseline Array) do NSF (National Science Foundation), num par de galáxias em colisão chamado Arp 299, a quase 150 milhões de anos-luz da Terra. No centro de uma das galáxias, um buraco negro 20 milhões de vezes mais massivo do que o Sol despedaçou uma estrela com duas massas solares, desencadeando uma cadeia de eventos que revelou detalhes importantes acerca do encontro violento.

Apenas foram detectadas algumas destas mortes estelares, chamadas eventos de ruptura de maré, embora os cientistas tenham teorizado que podem ser uma ocorrência mais comum. Os teóricos sugeriram que o material retirado da estrela moribunda forma um disco giratório em redor do buraco negro, emitindo raios-X intensos e luz visível, e que também lança jactos de material para fora a partir dos pólos do disco, quase à velocidade da luz.

“Nunca tínhamos conseguido observar directamente a formação e evolução de um jacto destes eventos,” afirma Miguel Perez-Torres, do Instituto Astrofísico da Andaluzia, em Granada, Espanha.

A primeira indicação veio no dia 30 de Janeiro de 2005, quando astrónomos que usavam o Telescópio William Herschel nas Ilhas Canárias descobriram uma explosão brilhante de emissão infravermelha oriunda do núcleo de uma das galáxias em colisão em Arp 299. No dia de 17 de Julho de 2005, o VLBA revelou uma nova e distinta fonte de emissão de rádio no mesmo local.

“Com o passar do tempo, o novo objecto permaneceu brilhante no infravermelho e no rádio, mas não no visível e raios-X,” acrescenta Seppo Mattila, da Universidade de Turku, na Finlândia. “A explicação mais provável é que o espesso gás interestelar e a poeira perto do centro da galáxia absorveram os raios-X e a luz visível, irradiados depois no infravermelho”. Os investigadores usaram o Telescópio Óptico Nórdico nas Ilhas Canárias e o telescópio espacial Spitzer da NASA para acompanhar a emissão infravermelha do objecto.

As observações de seguimento com o VLBA, com a EVN (European VLBI Network) e outros radiotelescópios, realizados ao longo de quase uma década, mostraram a fonte de emissão de rádio a expandir-se numa única direcção, tal como o esperado para um jacto. A expansão medida indicou que o material no jacto se movia a uma média de um-quarto da velocidade da luz. Felizmente, as ondas de rádio não são absorvidas no núcleo da galáxia, mas encontram o seu caminho através dele até alcançar a Terra.

Estas observações usaram múltiplas antenas de rádio, separadas por milhares de quilómetros, para obter o poder de resolução, ou capacidade para ver bons detalhes, necessário para detectar a expansão de um objecto tão distante. A paciente recolha de dados, durante anos, recompensou os cientistas com evidências de um jacto.

A maioria das galáxias tem um buraco negro super-massivo, com milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do Sol, no núcleo. Num buraco negro, a massa está tão concentrada que a sua atracção gravitacional é tão forte que nem a luz consegue escapar. Quando esses buracos negros super-massivos estão activamente a atrair material do meio-ambiente em redor, esse material forma um disco giratório em redor do buraco negro, e jactos super-velozes de partículas são lançados para fora. Este é o fenómeno visto em galáxias de rádio e quasares.

“No entanto, na maior parte do tempo, os buracos negros super-massivos não estão a devorar nada, encontram-se num estado silencioso,” explicou Perez-Torres. “Os eventos de ruptura de maré podem fornecer-nos uma oportunidade única para avançar a nossa compreensão da formação e evolução de jactos nas vizinhanças desses poderosos objectos,” acrescentou.

“Por causa da poeira que absorveu qualquer luz visível, este evento específico de ruptura de marés pode ser apenas a ponta do icebergue do que até agora era uma população oculta,” afirma Mattila. “Ao procurarmos estes eventos com radiotelescópios e telescópios infravermelhos, podemos ser capazes de descobrir muitos mais e de aprender com eles,” comenta.

Tais eventos podem ter sido mais comuns no Universo distante, de modo que o seu estudo pode ajudar os cientistas a entender o ambiente no qual as galáxias se desenvolveram há milhares de milhões de anos atrás.

A descoberta, disseram os cientistas, foi uma surpresa. A explosão infravermelha inicial foi descoberta como parte de um projecto que procurava detectar explosões de supernova em tais pares de galáxias em colisão. Já foram vistas várias explosões estelares em Arp 299, até apelidada de “fábrica de super-novas”. Este novo objecto foi originalmente considerado uma explosão de supernova. Somente em 2011, seis anos após a descoberta, a porção de emissão de rádio começou a mostrar um alongamento. O acompanhamento subsequente mostrou a expansão a crescer, confirmando que o que os cientistas estavam a observar era um jacto, não uma supernova.

Mattila e Perez-Torres lideraram uma equipa de 36 cientistas de 26 instituições em todo o mundo nas observações de Arp 299. Publicaram os seus achados na edição online de 14 de Junho da revista Science. Para parte deste trabalho, foram usados dados do VLBA do NSF e do GBT (Green Bank Telescope).

Astronomia On-line
19 de Junho de 2018

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199: Observações rádio apontam para explicação provável de fenómenos de fusão de estrelas de neutrões

NRAO/AUI/NSF/D. Berry

Três meses de observações com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) do NSF (National Science Foundation) permitiram aos astrónomos determinar a explicação mais provável para o que aconteceu após a violenta colisão de um par de estrelas de neutrões numa galáxia a 130 milhões de anos-luz da Terra.

No dia 17 de Agosto de 2017, os observatórios de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO juntaram forças para localizar as fracas ondulações no espaço-tempo provocadas pela fusão de duas estrelas de neutrões super-densas. Foi a primeira detecção confirmada de uma fusão do género e apenas a quinta detecção directa de ondas gravitacionais, previstas há mais de um século por Albert Einstein.

As ondas gravitacionais foram seguidas por explosões de raios gama, raios-X e luz visível do evento. O VLA detectou as primeiras ondas de rádio provenientes do evento no dia 2 de Setembro. Esta foi a primeira vez que um objecto astronómico foi detectado tanto em ondas gravitacionais como em ondas electromagnéticas.

O “timing” e a força da radiação electromagnética, em diferentes comprimentos de onda, forneceu os cientistas com pistas acerca da natureza dos fenómenos criados pela colisão inicial das estrelas de neutrões.

Antes do evento de Agosto, os teóricos propuseram várias ideias – modelos teóricos – sobre estes fenómenos. Como a primeira colisão a ser identificada positivamente, o evento de Agosto proporcionou a primeira oportunidade para comparar previsões dos modelos com observações reais.

Usando o VLA, o ATCA (Australia Telescope Compact Array) e o GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia, os astrónomos observaram regularmente o objecto a partir de Setembro em diante. Os radiotelescópios mostraram a emissão de rádio a ganhar força. Com base nisto, os astrónomos identificaram o cenário mais provável para as consequências da fusão.

“O brilho gradual do sinal de rádio indica que estamos a ver um fluxo exterior de material de grande angular, viajando a velocidades comparáveis à da luz, da fusão das estrelas de neutrões”, afirma Kunal Mooley, agora no NRAO (National Radio Astronomy Observatory).

As medições observadas estão a ajudar os astrónomos a descobrir a sequência de eventos desencadeada pela colisão das estrelas de neutrões.

A fusão inicial dos dois objectos super-densos provocou uma explosão, chamada quilonova, que impulsionou para fora uma concha esférica de detritos. As estrelas de neutrões colapsaram num remanescente, possivelmente um buraco negro, cuja poderosa gravidade começou a puxar o material na sua direcção. Esse material formou um disco com rápida rotação que produziu um par de jactos estreitos e velozes expelidos a partir dos pólos.

Se um dos jactos estivesse apontado na direcção da Terra, teríamos visto uma explosão de raios-gama de curta duração, como muitas já foram observadas antes, disseram os cientistas. “Claramente não foi este o caso”, comenta Mooley.

Algumas das primeiras medições do evento de Agosto sugeriram, em vez disso, que um dos jactos podia estar ligeiramente desviado da direcção da Terra. Este modelo explicaria o facto de que as emissões rádio e de raios-X foram vistas apenas pouco tempo depois da colisão.

“Esse modelo simples – de um jacto sem estrutura (chamado jacto ‘cartola’) visto ligeiramente desviado do eixo – teria mostrado uma emissão cada vez mais fraca de ondas rádio e raios-X. Tendo em conta que vimos a emissão rádio ficar mais forte, percebemos que a explicação exigiria um modelo diferente,” explica Alessandra Corsi, da Universidade Texas Tech.

Os astrónomos debruçaram-se num modelo publicado em Outubro por Mansi Kasliwal do Caltech, e colegas, e desenvolvido posteriormente por Ore Gottlieb, da Universidade de Tel Aviv, e colegas. Nesse modelo, o jacto não percorre o caminho para fora da esfera dos detritos da explosão. Ao invés, reúne material circundante enquanto se dirige para fora, produzindo um “casulo” amplo que absorve a energia do jacto.

Os astrónomos favoreceram esse cenário com base na informação que recolheram graças aos radiotelescópios. Logo após as observações iniciais do local da fusão, a viagem anual da Terra em redor do Sol colocou o objecto demasiado perto da nossa estrela, no céu, para que os telescópios de raios-X e ópticos o pudessem observar. Durante semanas, os radiotelescópios foram a única maneira de continuar a recolha de dados do evento.

“Se as ondas rádio e os raios-X provêm ambos de um casulo em expansão, percebemos que as nossas medições rádio significavam que, quando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA pudesse observar mais uma vez, encontraria que os raios-X, tal como as ondas de rádio, tinham aumentado de força“, realça Corsi.

Mooley e colegas publicaram um artigo com as suas medições no rádio, o seu cenário preferido para o evento e esta previsão online no dia 30 de Novembro. O Chandra observou novamente o objecto nos dias 2 e 6 de Dezembro.

“No dia 7 de Dezembro, foram divulgados os resultados do Chandra, e a emissão de raio-X tinha ficado mais forte, exactamente como havíamos previsto”, afirma Gregg Hallinan, do Caltech.

“A concordância entre os dados no rádio e os dados de raios-X sugere que os raios-X são provenientes do mesmo fluxo exterior que produz as ondas de rádio“, explica Mooley.

“Foi muito emocionante ver as nossas previsões confirmadas”, realça Hallinan. E acrescenta: “Uma implicação importante para o modelo de casulo é que devemos poder ver muitas mais destas colisões através da detecção das suas ondas electromagnéticas, não apenas das suas ondas gravitacionais.”

Mooley, Hallinan, Corsi e colegas divulgaram os seus achados num artigo publicado na revista Nature.

ZAP // CCVAlg

Por CCVAlg
24 Dezembro, 2017

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