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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O gigante no nosso “quintal cósmico”

O centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, só é visível aos radiotelescópios. O buraco negro super-massivo no seu núcleo brilha no rádio rodeado por anéis de gás e poeira de remanescentes de super-nova e arcos de material apanhados nos fortes campos magnéticos do núcleo. Esta imagem gigantesca é uma composição de várias observações obtidas pelo VLA (Very Large Array).
Crédito: NRAO/NAUI/NSF

Recentemente, foram combinados vários observatórios rádio para formar o GMVA (Global mm-VLBI Array), uma poderosa ferramenta que sondou a região perto do buraco negro super-massivo da nossa Galáxia. Foram produzidas imagens curiosas desta região, brilhando intensamente no rádio. Estas observações, que envolveram três radiotelescópios norte-americanos – VLA, VLBA e GBT – são um passo importante para a observação do horizonte de eventos de um buraco negro. Aqui fica a história desta investigação até agora.

Há um gigante no nosso “quintal cósmico”. Sabemos que lá está, mas nunca ninguém o viu. É um buraco negro super-massivo e esconde-se no centro da nossa Galáxia.

Em 1931, o engenheiro Karl Jansky observou pela primeira vez um forte sinal cósmico de rádio proveniente da constelação de Sagitário, que se encontra na direcção do centro da nossa Galáxia. Jansky assumiu que os sinais de rádio eram originários do centro da nossa Galáxia, mas não fazia ideia do que essa fonte podia ser e o seu telescópio era incapaz de identificar a localização exacta. Isso sucedeu em 1974, quando Bruce Balick e Robert Brown usaram três antenas rádio do Observatório Green Bank e uma quarta antena mais pequena a cerca de 35 km de distância para formar um radiotelescópio muito mais preciso chamado interferómetro.

Interferometria é um método de usar vários radiotelescópios ou antenas como um único telescópio virtual. Quando duas antenas estão apontadas para o mesmo objecto no céu, recebem o mesmo sinal, mas os sinais estão em dessintonia porque um demora um pouco mais a alcançar uma antena do que a outra. A diferença de tempo depende da direcção das antenas e da distância entre elas. Ao correlacionar os dois sinais, podemos determinar a localização da fonte com muita precisão. Com o GBI (Green Bank Interferometer), Balick e Brown confirmaram a fonte rádio como uma região muito pequena perto do Centro Galáctico. Brown mais tarde denominou a fonte Sagitário A*, ou Sgr A* para abreviar.

O GBI foi um antecessor do VLA (Very Large Array) do NRAO (National Radio Astronomy Observatory). O VLA é composto por 28 antenas capazes de configurações amplamente separadas e juntas, tornando-se a ferramenta perfeita para estudar Sgr A*. Em 1983, uma equipa liderada por Ron Ekers usou o VLA para fazer a primeira imagem rádio do Centro Galáctico, que revelou uma mini-espiral de gás quente. Observações posteriores mostraram não apenas a espiral de gás, mas também uma fonte de rádio distinta e brilhante no centro exacto da Via Láctea.

Nesta altura suspeitava-se fortemente que esta fonte de rádio fosse um enorme buraco negro. Entre 1982 e 1998, Don Backer e Dick Stramek, no VLA, mediram a posição de Sgr A* e descobriram que quase não havia movimento aparente. Isto significava que devia ser extremamente massivo, já que os puxões gravitacionais de estrelas próximas não o faziam mover-se. Eles estimaram que devia ter uma massa equivalente a pelo menos dois milhões de sóis. Observações a longo prazo das estrelas em órbita do Centro Galáctico descobriram que Sgr A* tem aproximadamente 3,6 milhões de massas solares, e imagens rádio detalhadas confirmaram que não deve ser maior que a órbita de Mercúrio em torno do Sol. Sabemos agora que é, de facto, um buraco negro super-massivo.

Estar ciente da existência de um buraco negro não é o mesmo que o ver directamente. Os astrónomos há muito que sonham em observar directamente um buraco negro e talvez até vislumbrar o seu horizonte de eventos. Sagitário A* é o buraco negro super-massivo mais próximo da Terra, de modo que têm havido vários esforços para o observar directamente. Mas há dois grandes desafios a serem superados. O primeiro é que o centro da nossa Via Láctea está rodeado por gás e poeira densos. Quase toda a luz visível da região é obscurecida, por isso não podemos observar o buraco negro com um telescópio óptico. Felizmente, o gás e a poeira são relativamente transparentes ao rádio, o que significa que os radiotelescópios podem ver o coração da nossa Galáxia. Mas isto leva ao segundo grande desafio: a resolução.

Embora o buraco negro Sgr A* seja massivo, tem apenas o tamanho de uma estrela grande. Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein, um buraco negro com 3,6 milhões de vezes a massa do Sol teria um horizonte de eventos apenas 15 vezes maior que a nossa estrela. Tendo em conta que o Centro Galáctico está a aproximadamente 26.000 anos-luz da Terra, o buraco negro tem um tamanho aparente muito pequeno no céu, mais ou menos equivalente a ver uma bola de basebol à superfície da Lua. Para ver um objecto rádio tão pequeno, precisamos de um telescópio do tamanho da própria Terra.

Obviamente, não podemos construir um radiotelescópio do tamanho do nosso planeta, mas com a interferometria rádio podemos construir um telescópio virtual do tamanho da Terra. Os observatórios do NRAO estão actualmente a trabalhar em dois projectos que tentam observar um buraco negro, o EHT (Event Horizon Telescope) e o GMVA (Global mm-VLBI Array). O ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) está a participar em ambos os projectos, enquanto o GBT (Green Bank Telescope) e o VLBA (Very Long Baseline Array) fazem parte do GMVA. Tal como o VLA, estes projectos combinam sinais de múltiplas antenas. Dado que as antenas estão localizadas por todo o mundo, este telescópio virtual tem mais ou menos o tamanho da Terra. Mas, ao contrário das antenas do VLA, todas elas têm diferentes tamanhos e sensibilidades. Esta diversidade de antenas dificulta a combinação dos sinais, mas também fornece uma grande vantagem aos projectos.

No VLA, por exemplo, todas as antenas da rede são idênticas. Cada antena contribui igualmente e a sensibilidade do complexo depende do tamanho de uma única antena. Mas quando telescópios, ou antenas de diferentes tamanhos, são combinados, a sensibilidade das antenas maiores ajuda a aumentar a sensibilidade das menores. O GBT, por exemplo, tem um diâmetro de 100 metros. Quando combinado com telescópios mais pequenos num grande interferómetro, a sensibilidade total depende do tamanho médio de todas as antenas. Isso torna o ALMA – ligado ao EHT e ao GMVA – e o GBT – ligado ao GMVA – muito mais sensível aos sinais do buraco negro da Via Láctea, e os cientistas precisam de toda a sensibilidade possível para capturar a imagem de um buraco negro.

Em Janeiro de 2019, o GMVA capturou uma imagem de Sagitário A* a comprimentos de onda de 3mm, mas a dispersão de luz a 3mm pelo plasma situado entre nós e Sgr A* tornou impossível ver a sombra do seu horizonte de eventos. A primeira imagem nítida de um buraco negro foi anunciada pelo EHT em Abril de 2019. Era uma imagem do buraco negro da galáxia M87. Embora M87 esteja mais de 2000 vezes mais distante que o buraco negro no centro da nossa Galáxia, o seu buraco negro central é também 1500 vezes mais massivo. É um buraco negro muito activo e não está obscurecido pelo gás e poeira da nossa Galáxia, facilitando a observação. A observação do nosso buraco negro, mais pequeno e calmo, é um desafio maior. Mas ao trabalharem com observatórios espalhados por todo o mundo, o ALMA e o GBT terão em breve a primeira imagem nítida do gigante situado no nosso “quintal cósmico”.

Astronomia On-line
26 de Abril 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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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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843: Há um planeta gigantesco a vaguear pela vizinhança da nossa galáxia

 

É uma descoberta que está a fascinar a comunidade cientifica dadas as características do que foi revelado.

Astrónomos norte-americanos descobriram um planeta errante gigantesco, com um campo magnético extremamente forte, a vaguear pela nossa vizinhança galáctica. Este objeto está a apenas 20 anos-luz da Terra.

Uma estrela falhada ou um planeta gigante?

Há um objeto muito estranho a flutuar no bairro estelar e os astrónomos estão intrigados. É muito grande e tem um campo magnético extremamente forte. É um “forasteiro” que não está ligado a nenhum outro objeto.

A descoberta foi feita com o radiotelescópio Very Large Array (VLA, no Novo México, EUA), marcando o primeiro objeto de massa planetária revelado por esta tecnologia.

Com 12,7 vezes mais massa que Júpiter, as suas características situam-no bem no limite superior dos planetas – beirando o território das anãs castanhas.

Este objeto está bem na fronteira entre um planeta e uma anã castanha, ou ‘estrela falhada’, e está a dar-nos algumas surpresas que podem potencialmente nos ajudar a entender os processos magnéticos em estrelas e planetas.

Referiu a astrónoma Melodie Kao, da Universidade do Estado do Arizona.

Pequeno para estrela anã castanha mas quase 13 vezes maior que Júpiter

Uma anã castanha é um objeto muito pequeno para produzir fusão de hidrogénio, o processo dominante que gera energia nas estrelas, mas grande o suficiente para a fusão de deutério, processo de baixa temperatura vital para estrelas recém-formadas.

Assim, este gigante está na fronteira entre os maiores planetas e as menores estrelas, com massas de 13 a 80 vezes maiores que a de Júpiter.

Inicialmente também se pensou que estes objectos não emitiam ondas de rádio, mas em 2001 descobriram que estavam absolutamente cheios de actividade magnética. Outras observações revelaram que as anãs castanhas podem gerar fortes auroras.

As Auroras

Aqui na Terra, as auroras são geradas por ventos solares, que interagem com partículas carregadas na nossa ionosfera. Essas partículas carregadas viajam ao longo das linhas do campo magnético do planeta até os pólos, onde se manifestam como luzes dançantes no céu e produzem fortes emissões de rádio.

Este novo objeto, denominado SIMP J01365663 + 0933473, pode ajudar os astrónomos a aprender mais sobre diversos fenómenos espaciais, incluindo as auroras das anãs castanhas.

A equipa acredita ter detectado emissões de rádio de auroras no novo planeta, o que representa um desafio para a maneira como entendemos os mecanismos para este fenómeno em anãs castanhas e exoplanetas. Mas o seu campo magnético é algo que vale uma observação mais de perto. É enorme, 200 vezes a força do campo magnético de Júpiter.

Gigante mas ainda um bebé

Descoberto no meio de um aglomerado de estrelas muito jovens, este novo planeta tem cerca de 200 milhões de anos – é ainda um bebé pequenino.

E, embora seja 12,7 vezes mais maciço que Júpiter, é apenas um pouco maior, com um raio de 1,22 vezes o do gigante gasoso.

Em comparação com a temperatura da superfície solar de 5.500 graus Celsius, a sua temperatura é relativamente fria, chegando a uma temperatura de superfície de 825 graus Celsius.

pplware
04 Ago 2018
Vitor M.

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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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