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Salvador Nogueira é jornalista de ciência e autor de 11 livros

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Ondas gravitacionais e luz da colisão de estrelas de nêutrons revelam segredos do Universo

Por Salvador Nogueira

Uma colisão de estrelas de nêutrons ocorrida há 130 milhões de anos numa galáxia distante ganhou aqui na Terra um privilégio especial: tornou-se o primeiro fenômeno espacial a ser observado tanto por ondas gravitacionais quanto por luz. É o equivalente astronômico de uma feijoada completa. O resultado tem implicações vastas e marca o início de uma nova era na história da astronomia.

Quer ver quantas coisas importantes saíram deste único evento cósmico? Conte comigo: as observações feitas esclareceram a origem de alguns dos misteriosos disparos de raios gama (algumas das emissões de radiação mais intensas já vistas no Universo), confirmaram uma das predições da teoria da relatividade geral (a de que as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz), ofereceram uma primeira visão de um novo tipo de explosão estelar (chamado de quilonova), revelaram de onde vieram boa parte dos elementos químicos mais pesados que o ferro (inclusive a maior parte do ouro que existe na Terra, para citar um exemplo) e apresentaram um novo método independente para medir o ritmo de expansão do Universo (a chamada constante de Hubble). Não é pouca coisa.

Diversas coletivas, organizadas por instituições espalhadas pelo mundo — no Brasil, houve uma na Universidade de São Paulo — aconteceram às 12h desta segunda-feira (16) para apresentar esses resultados, distribuídos em mais de uma dezena de artigos a serem publicados em periódicos como “Nature”, “Physical Review Letters”, “Nature Astronomy” e “Astrophysical Journal Letters”.

Coletivamente, esses trabalhos envolvem milhares de pesquisadores espalhados pelo mundo todo, inclusive o Brasil. Todos baseados neste único — e extraordinário — evento.

“Tudo isso porque foi inaugurada a astronomia multimensageira com ondas gravitacionais”, afirma Odylio Aguiar, pesquisador do Inpe (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e membro da colaboração LIGO-Virgo, responsável pela detecção das ondas gravitacionais do fenômeno. “Estamos vivendo um momento muito especial na astronomia, um momento revolucionário.”

VÍDEO: O resumo da ópera

O que seria essa “astronomia multimensageira”? É uma forma de estudar objetos astronômicos envolvendo mais de um método de transmissão de informações sobre eles. Até 2015, salvo algumas poucas pistas provenientes do estudo de neutrinos, praticamente tudo que podíamos aprender sobre os astros dependia do estudo da luz que emanava deles — rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X ou raios gama, mas eram, no fim das contas, apenas ondas eletromagnéticas com diferentes comprimentos de onda. Só luz.

A partir de 2015, começamos a estudar objetos a partir de um outro tipo de onda que eles emitem — as ondas gravitacionais. Previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein, elas seriam como pequenas marolas na própria estrutura do espaço e do tempo, mais ou menos como quando atiramos uma pedra num lago e ela gera ondas que se propagam em todas as direções na superfície da água. Sua detecção, por si só, já mereceu o Prêmio Nobel em Física de 2017.

Contudo, agora, podemos estudar objetos astronômicos tanto pelas ondas eletromagnéticas que eles geram quanto pelas ondas gravitacionais. Podemos vê-los e podemos “escutá-los”, por assim dizer — astronomia “multimensageira”.

O potencial para descobertas é imenso, e o anúncio desta segunda-feira, com todos os resultados associados, é só o primeiro exemplo.

Imagem feita pelo VLT mostra a quilonova em meio à galáxia NGC 4993, a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra. (Crédito: ESO)

COMEÇANDO DO COMEÇO
OK, agora que você já sacou o tamanho do negócio, podemos começar nossa história do começo. E esta história principia 130 milhões de anos atrás, uma época em que os dinossauros reinavam sobre a Terra e um par de estrelas de nêutrons na galáxia que hoje conhecemos como NGC 4993, na constelação da Hidra, espiralava rumo a uma inevitável colisão.

Estrelas de nêutrons por si mesmas já são o produto de eventos astrofísicos gigantescos. Elas são o que sobra de estrelas de alta massa que esgotaram seu combustível e explodiram como supernovas. Seus núcleos, remanescentes da explosão, não têm mais como gerar energia e, por conta disso, estão completamente à mercê da intensa gravidade que quer esmagá-los tanto quanto possível. A força gravitacional nesses objetos é tão intensa que induz os elétrons a caírem nos prótons que formam os núcleos atômicos. As cargas negativas e positivas se cancelam e eles se tornam nêutrons — daí o nome. É como se elas fossem núcleos atômicos gigantes feitos só de nêutrons.

Uma estrela desse tipo é tão densa que uma massa ligeiramente maior que a do Sol acaba esmagada numa bolota do tamanho de uma cidade de médio porte, com uns 20 km de diâmetro. Se você pudesse pegar apenas uma colher de chá de material da estrela de nêutron, ela pesaria 1 bilhão de toneladas.

Cerca de metade das estrelas do Universo nascem em pares, de modo que não é nada inesperado que tenhamos muitos pares de estrelas de nêutrons por aí, em que ambas orbitam uma ao redor da outra. Era o caso do par que estava para colidir há 130 milhões de anos. A teoria que nos diz o que acontece com esses astros é a relatividade geral, formulada por Albert Einstein em 1915, e o que ela prevê é que esses astros rodopiariam cada vez mais depressa um ao redor do outro, em órbitas cada vez mais curtas, numa espiral que os levaria a colidir. No processo, conforme ganhassem cada vez mais velocidade, emitiriam ondas gravitacionais.

Para entender o que elas são, imagine que o espaço vazio é na verdade como uma folha de borracha, maleável. Imagine, por exemplo, colocar uma bola de boliche no meio de uma cama elástica. A superfície da cama elástica se estica e se curva no centro, pelo peso da bola. Segundo a teoria de Einstein, objetos com massa fazem a mesma coisa com a própria geometria do espaço vazio e, ao se movimentarem por ele, produzem ondas que se propagam pelo vazio em todas as direções.

Estrelas de nêutrons espiralam uma na direção da outra, emitindo copiosas quantidades de ondas gravitacionais. (Crédito: LIGO)

Pois bem, duas estrelas de nêutrons espiralando rumo a uma colisão são copiosas fontes de ondas gravitacionais. Viajando à velocidade da luz desde a galáxia NGC 4993, essas pequenas flutuações levaram 130 milhões de anos para passar pela Terra. Mas, quando elas chegaram, nós as estávamos esperando. Com um investimento total de cerca de US$ 2 bilhões, três instalações gêmeas destinadas a detectar essas pequenas vibrações no tecido do espaço-tempo estavam em operação simultânea às 9h41 do dia 17 de agosto de 2017, quando as ondas gravitacionais da colisão iminente chegaram até nós.

Duas dessas instalações fazem parte do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou Observatório de Interferometria Laser de Ondas Gravitacionais), financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos, com contribuições técnicas e científicas de diversos outros países. Os sistemas gêmeos estão instalados em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana — em lados opostos do território americano.

O terceiro detector, chamado Virgo, é uma parceria principalmente entre italianos e franceses, com participações menores de outros países, e está localizado proximo a Pisa, na Itália.

Todos os três são basicamente uma estrutura em forma de L com braços de 4 km (no caso do LIGO) ou 3 km (no caso do Virgo), por onde correm feixes de laser divididos em dois. Enquanto um feixe corre numa direção, bate num espelho e volta, o outro corre na perpendicular do primeiro, também fazendo um percurso de vai e volta. A ideia é que, se houver qualquer distorção do espaço, os lasers que até então estavam perfeitamente alinhados (eles vão e voltam exatamente ao mesmo tempo, já que viajam à mesma velocidade) sairiam desse sincronismo, indicando a passagem de uma onda gravitacional.

Para que se tenha uma ideia da escala que estamos medindo, o sistema LIGO-Virgo é sensível a variações da escala de um décimo de milésimo do tamanho de um único próton.

A primeira detecção bem-sucedida de ondas gravitacionais aconteceu em 14 de setembro de 2015, época em que só a dupla de detectores do LIGO estava em operação, e por si só conquistou o Prêmio Nobel em Física de 2017 para três dos principais idealizadores da iniciativa, Rainer Weiss, Kip Thorne e Barne Barish.

VÍDEO: Relembre como o LIGO fez sua primeira detecção

Desde então, três outras detecções foram feitas, a última delas já com a participação do Virgo. Em todos os casos, elas envolveram a colisão de buracos negros (objetos ainda mais densos que as estrelas de nêutrons, tão densos que não há força conhecida capaz de impedir que a matéria colapse sobre si mesma, criando regiões do espaço de onde nem mesmo a luz pode escapar). Mas os astrônomos esperavam ansiosos por um evento como o de 17 de agosto deste ano, pois uma colisão de estrelas de nêutrons, diferentemente de uma entre buracos negros, provavelmente produziria algum sinal luminoso, além das ondas gravitacionais.

Foi exatamente o que aconteceu. Durante cerca de 100 segundos, os detectores do LIGO e do Virgo detectaram as vibrações no espaço geradas pelo espiralar das duas estrelas de nêutrons até a colisão. E então, apenas 2 segundos depois, os satélites Fermi, da Nasa, e Integral, da ESA, detectaram um disparo curto de raios gama. Mas estariam os dois eventos ligados?

Não demorou muito para determinar que sim. Usando os dados dos três detectores de ondas gravitacionais, é possível determinar mais ou menos de que região do céu as vibrações do espaço vieram. Note que o sistema de detecção em si não é capaz de dizer a direção. O que pode indicar a direção é o fato de a detecção variar por frações de segundo entre um lugar e outro — e aí podemos concluir que o lugar que detectou primeiro estava mais perto da fonte da emissão, o que detectou em segundo estava um pouco mais longe, e assim por diante. Por isso, quanto maior o número de detectores de ondas gravitacionais espalhados pelo mundo, melhor é a capacidade de dizer de onde elas vieram.

Com base nos três que estavam operacionais, os pesquisadores da colaboração LIGO-Virgo puderam restringir a origem das ondas gravitacionais a um pedaço do hemisfério Sul celeste do tamanho de mais ou menos uma centena de Luas cheias — e o disparo de raios gama detectado pelos satélites veio exatamente daquela região!

EINSTEIN, ESSE DANADO
Claro que prever a existência de ondas gravitacionais já foi um grande feito da teoria da relatividade geral. Mas ela também previa que essas ondas necessariamente deviam se propagar à velocidade da luz. E cientistas gostam de testar todas as previsões que puderem, pois o maior prazer que têm é o de revelar falhas numa teoria que sirvam de pistas para a formulação de uma outra teoria, ainda melhor que a anterior. Tornava-se imperativo, portanto, uma vez confirmada a existência das ondas gravitacionais, determinar que elas viajam à velocidade da luz.

A detecção da colisão das duas estrelas de nêutrons permitiu fazer isso, com uma precisão bem boa. Isso porque o sinal luminoso — o disparo de raios gama detectado pelos satélites da Nasa e da ESA — chegou logo depois da colisão indicada pelos detectores de ondas gravitacionais. Ou seja, claramente, as ondas gravitacionais viajaram à mesma velocidade que a luz que veio logo depois. A diferença observada de 2 segundos entre um sinal e outro é exatamente a esperada para o caso em que a onda gravitacional viaja à mesma velocidade que a luz. (Tenha em mente que os dois sinais viajaram 130 milhões de anos-luz antes de chegarem aqui, o que significa que mesmo uma diferença de velocidade de apenas 0,000001% produziria uma diferença de tempo de mais de um ano entre a chegada da luz e a das ondas gravitacionais.)

Além de confirmar que Einstein estava certo mais uma vez (se ele fosse vivo, acho que já estaria entediado a essa altura), o resultado também de imediato confirmou uma suspeita que existia entre os cientistas: a de que os disparos curtos de raios gama detectados há muitos anos pelos cientistas podiam ser gerados pela colisão de duas estrelas de nêutrons.

“Durante décadas suspeitamos que os disparos de raios gama curtos fossem alimentados por fusões de estrelas de nêutrons”, disse, em nota, Julie McEnery, cientista da Nasa ligada ao satélite Fermi. “Agora, com os incríveis dados do LIGO e do Virgo para este evento, temos a resposta.”

Nesse sentido, contudo, aconteceu o que os cientistas mais gostam: a resposta veio acompanhada de novas perguntas. Isso porque essa explosão de raios gama foi uma das mais próximas da Terra já vistas até hoje, mas foi surpreendentemente fraca, dada a distância relativamente pequena. Em suma, esperavam maior intensidade de um evento a essa distância. Agora cabe aos astrofísicos entender por quê ela foi mais fraca do que esperavam. Espera-se que futuras observações semelhantes nos próximos anos ajudem bastante.

A QUILONOVA
As ondas gravitacionais e os raios gama foram, contudo, só o começo da festa. Tanto os detectores LIGO e Virgo quanto os satélites de raios gama têm um sistema de alerta automático — algoritmos de computador fazem processamento dos dados em tempo real e notificam os cientistas de que algo potencialmente interessante aconteceu numa dada região do céu. E, quando o alerta conjunto foi disparado no dia 17 de agosto, astrônomos do mundo inteiro ficaram ansiosos pelo anoitecer, para que pudessem apontar seus telescópios naquela direção e procurar a novidade. Todo mundo e mais alguém fez isso, e o resultado foi nada menos que espetacular.

Cerca de 70 observatórios no solo e no espaço participaram do esforço de detecção — em resumo, todo mundo e mais alguém, no maior esforço coordenado de observação de um objeto celeste na história da astronomia.

A primeira diretriz foi: encontrem algo no céu que não estava lá antes, na região sugerida pelos sistemas automáticos de alerta. Era uma área relativamente grande, e o primeiro a anunciar a descoberta de um novo ponto de luz foi o pessoal do telescópio Swope, um equipamento relativamente modesto, com abertura de 1 metro, instalado em Las Campanas, no Chile.

O “antes” e o “depois” da fusão das duas estrelas de nêutrons: a quilonova se torna visível. (Crédito: ESO)

E aí, claro, todos os outros observatórios se voltaram para lá: o ESO (Observatório Europeu do Sul) entrou com o Vista e o VLT, os telescópios Pan-STARRS e Subaru, no Havaí, também fizeram suas observações, a DECam da Dark Energy Survey entrou na dança, o Telescópio Espacial Hubble fez suas observações, os radiotelescópios do ALMA, e muitos outros — até mesmo o novíssimo T80-Sul, um telescópio brasileiro com 0,87 metro de abertura e uma câmera de 85 megapixels instalado no Chile.

“Ficamos muito satisfeitos com os frutos colhidos pelo projeto do telescópio T80-S, logo no início de seu funcionamento, e já fazendo parte desta descoberta histórica”, diz Claudia Mendes de Oliveira, pesquisadora da USP (Universidade de São Paulo) e coordenadora do projeto do T80-Sul.

Com todas essas observações, os cientistas puderam contrastar o fenômeno da colisão das duas estrelas de nêutrons com um tipo de explosão até então só teorizado: ele é chamado de quilonova.

Cada bolinha no mapa é um dos observatórios que estudou a quilonova. Repare nas bolinhas no espaço — o Hubble é uma delas. (Crédito: ESO)

Uma nova é um tipo de explosão que envolve um cadáver estelar (mais especificamente uma anã branca, o resultado da morte de uma estrela de baixa massa, como o Sol, depois que esgota seu combustível) consumindo matéria de uma vizinha. A matéria vai se acumulando até atingir uma quantidade crítica, que leva a uma explosão movida por fusão nuclear. (Não confundir esse fenômeno com uma supernova, que leva à destruição completa da estrela, em vez de meramente um momento furioso em sua superfície.)

A tal quilonova ganhou esse nome dos teóricos por ser cerca de mil vezes mais intensa e brilhante que uma nova convencional. Esperava-se que uma colisão de estrelas de nêutrons gerasse um evento desse tipo, mas até agora isso era apenas especulação.

As observações, contudo, confirmaram essa hipótese e mostraram uma quilonova que começou bem azul e foi avermelhando com o passar dos dias, até desaparecer. As propriedades do espectro do objeto seguiram muito de perto as predições teóricas!

Uma dessas predições, por sinal, é que esses eventos de fusão furiosa pudessem produzir copiosas quantidades de elementos mais pesados que o ferro — como césio, telúrio, platina e ouro –, que a explosão subsequente espalharia pelo espaço. Essa rota específica de nucleossíntese (nome dado à formação dos núcleos atômicos) é chamada de processo-r, por envolver capturas rápidas de nêutrons. Esse processo é esperado em supernovas, mas também em colisões de estrelas de nêutrons, e explicaria a origem da maior parte dos elementos mais pesados que o ferro presentes no Universo. O novo resultado é a confirmação da previsão e a primeira observação de evidências de processo-r em colisões de estrelas de nêutrons.

Espectros obtidos da quilonova com o Very Large Telescope, do ESO, no Chile. (Crédito: ESO)

AINDA NÃO ACABOU
Uma das propriedades mais fascinantes das ondas gravitacionais é que, com base em seu padrão de frequência e amplitude, podemos determinar tanto a massa dos objetos envolvidos como a distância que eles guardam da Terra — tudo cortesia das equações da teoria da relatividade geral.

Graças a isso, foi possível determinar que as duas estrelas de nêutrons em choque tinham aproximadamente 1,3 e 1,5 vez a massa do Sol e estavam a 130 milhões de anos-luz de distância. Mas essa medição fica ainda mais interessante pelo fato de que pudemos descobrir qual é sua galáxia de origem. E com isso temos um novo parâmetro independente para calcular a taxa de expansão do Universo.

Uou. Que salto foi esse? Calma, vamos lá. A relatividade oferece a distância da fonte pelas ondas gravitacionais, e a velocidade de afastamento da fonte pode ser estimada com base no desvio para o vermelho, o chamado redshift, da luz.

Não é uma ideia difícil de entender. Se o espaço está se esticando e uma onda de luz passa por ele, ela também é esticada na mesma proporção. Seu comprimento de onda fica maior, ou mais avermelhado. Com a informação do avermelhamento, combinada à distância, é possível estimar a chamada constante de Hubble, que diz o quanto o Universo está se expandindo.

Pois bem, um vasto grupo de cientistas assina um artigo publicado na “Nature” que usa a GW170817 (codinome para o sinal de ondas gravitacionais detectado em 17 de agosto) para medir a tal constante. E o resultado (com uma grande margem de erro, é verdade) bate em 70 km/s/Mpc (ou seja, a cada milhão de parsecs, que equivale a 3,26 milhões de anos-luz, o Universo cresce 70 km a cada segundo).

O número é compatível com as mais recentes medições do valor, feitas pela equipe do satélite europeu Planck e pelo grupo do astrônomo Adam Riess. São elas que sugerem que o Big Bang aconteceu há aproximadamente 13,8 bilhões de anos.

Então, por um lado, o novo trabalho realça o quanto estamos no caminho certo — múltiplas estratégias para calcular essa taxa de crescimento cósmica estão todas achando mais ou menos o mesmo valor.

Por outro lado, ele ainda não nos ajuda a encontrar um caminho ainda mais certo, que ajude a conciliar uma pequena, mas problemática, discrepância entre as medidas do Planck e de Riess. Contudo, essa pode ser só uma questão de tempo.

“No caso de GW170817, a incerteza foi dominada pela incerteza na distância”, explica Odylio Aguiar. “Se os interferômetros tivessem sensibilidades maiores, esta incerteza seria menor. E há planos de atualizá-los para terem essa sensibilidade maior. Portanto, sim, podemos chegar no futuro a uma precisão bem maior, comparável à do [satélite] Planck.”

E O QUE RESTOU?
Uma pergunta que pode ainda restar ao bravo leitor que chegou até aqui é: o que sobrou da colisão das estrelas de nêutrons? Elas se fundiram e tal, e aí viraram o quê? É bem possível que tenham virado um buraco negro, ou talvez tenham se mantido como uma única estrela de nêutrons. Não sabemos, em essência, porque a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais foi insuficiente para detectar o sinal proveniente do objeto remanescente. “Infelizmente não pudemos chegar a uma conclusão, pois o sinal da onda gravitacional na fusão e ressoar do objeto formado não teve amplitude suficiente para ser detectado”, diz Aguiar. “Vamos ter de aguardar a detecção de eventos mais próximos ou melhorar a sensibilidade. O LIGO vai estar operando em meados da década de 2020 com sensibilidade em amplitude três vezes melhor. Se isso não for suficiente, teremos de aguardar a construção de outros detectores de ondas gravitacionais.”

Como sempre — e ainda bem — a aventura do conhecimento, por mais que avancemos, sempre parece estar apenas no começo.

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