Pela primeira vez, vimos tanto ondas gravitacionais como luz emitidas pela colisão de duas estrelas de neutrões

Um batalhão de telescópios pelo mundo fora juntou-se para fazer observações astronómicas inéditas a vários níveis. Anunciados esta segunda-feira em conferência de imprensa, os resultados serão publicados em inúmeros artigos científicos.

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Ilustração artística da colisão de duas estrelas de neutrões Universidade de Warwick/Mark Garlick

Até há dois anos, as ondas gravitacionais não passavam de uma proposta teórica com cem anos, embora, ressalve-se, o seu autor tenha sido nada menos do que Albert Einstein, um peso-pesadíssimo da física. Em Setembro de 2015, graças a décadas de investigação e desenvolvimento de tecnologia hiper-sofisticada, conseguiu-se finalmente detectar na Terra a passagem de uma onda gravitacional – pequeníssimas ondulações no espaço-tempo, o tecido que constitui o próprio Universo. Desde aí, as ondas gravitacionais foram apanhadas num total de quatro vezes, todas geradas pela colisão de dois buracos negros, objectos tão monstruosos e maciços que nada sai de lá que vejamos, nem sequer a luz. Apenas dois anos após a primeira detecção, este esforço já valeu o Nobel da Física de 2017. Agora deu-se um avanço notável, anunciado em conferência de imprensa esta segunda-feira à tarde: pela primeira vez, observaram-se duas estrelas de neutrões (já lá iremos) a colidir e a gerar tanto ondas gravitacionais como luz, em várias bandas do espectro electromagnético, como raios gama, raios X, luz visível (aquela que os nossos olhos vêem) e infravermelhos.

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Ilustração da fusão de duas estrelas de neutrões e das ondas gravitacionais, ondulações no tecido do espaço-tempo, provocadas por esse fenómeno Fermilab

Antes das novidades, é preciso ainda dizer que a detecção das primeiras três ondas gravitacionais – a 14 de Setembro de 2015, a 26 de Dezembro de 2015 e 4 Janeiro de 2017 – foram captadas pelos dois detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetros Laser (LIGO, na sigla em inglês), um situado na Louisiana e outro, a três mil quilómetros de distância, no estado de Washington, nos Estados Unidos. A quarta onda gravitacional – a 14 de Agosto de 2017 – já foi detectada, além do LIGO, também pelo detector Virgo, perto de Pisa (em Itália), ainda mal os dois projectos tinham começado a trabalhar em conjunto.

Ora, a 17 de Agosto deste ano foi apanhada a quinta onda gravitacional a passar pela Terra, novamente pelos detectores do LIGO e Virgo. Enquanto o sinal da onda gravitacional de dois buracos negros a colidirem dura menos um segundo, como se verificou nas quatro detecções anteriores, o sinal da quinta onda durou mais de 60 segundos. Além disso, apenas cerca de dois segundos depois dessa detecção, dois telescópios espaciais (o Fermi, da NASA, e o Integral, da Agência Espacial Europeia) observaram também uma explosão de curta duração de raios gama, vinda da mesma região do céu. E foi então que as coisas começaram a tornar-se ainda mais interessantes.

Entrou em cena um autêntico batalhão de telescópios em terra. Assim que a noite caía no Chile, o Observatório Europeu do Sul (ESO), organização de astronomia composta por 16 países-membros, incluindo Portugal, virou vários telescópios que tem naquele país para a tal zona do céu, à procura da fonte específica de raios gama. Estamos a falar de aparelhos como o VISTA, para rastreios de astronomia na parte da luz visível e radiação infravermelha, e o telescópio de rastreios do Very Large Telescope (VLT), ambos no Monte Paranal. Outras organizações no Chile dedicaram-se também a esta procura, como o Observatório Interamericano, no Monte Tololo, e o telescópio Swope, no Monte Las Campanas, pertencente à Instituição Carnegie (nos Estados Unidos).

“Os astrónomos ficaram muito entusiasmados. Essa onda gravitacional e a explosão curta de raios gama poderiam ser estrelas de neutrões em colisão”, explicou esta segunda-feira em conferência de imprensa na sede do ESO (na Alemanha) Stephen Smartt, da Queen’s University em Belfast, no Reino Unido.

Não tardou muito, como explica um comunicado do ESO, o telescópio Swope observou um novo ponto de luz no céu: encontrava-se perto da galáxia NGC 4993, na constelação da Hidra. Quase ao mesmo tempo, o VISTA localizou esse ponto luminoso como uma nova fonte de radiação infravermelha. “Era o primeiro paralelo óptico [luz visível] e em infravermelhos das ondas gravitacionais. Mostra o que causou as ondas gravitacionais”, sublinhou Stephen Smartt. E, à medida que a noite chegava ao Havai, telescópios lá existentes captavam também o fenómeno.

O ESO lançou então uma campanha mundial de observação. Nas semanas seguintes, outros aparelhos do ESO, como o próprio VLT, o maior telescópio óptico do mundo (capta a luz visível), e de parceiros seus, como o grande radiotelescópio ALMA, também no Chile, registaram o fenómeno em diversas bandas do espectro electromagnético. Pelo mundo fora, foi acompanhado por cerca de 70 observatórios, incluindo no espaço o famoso telescópio Hubble.

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A galáxia NGC 4993, observada na luz visível pelo Very Large Telescope (no Chile) a 130 milhões de anos-luz da Terra ESO

Com todas estas observações dos telescópios e dos detectores LIGO e Virgo, pôde determinar-se que a onda gravitacional tinha sido originada à mesma distância a que se encontrava de nós o ponto de luz na galáxia NGC 4993. Ou seja, a 130 milhões de anos-luz da Terra (o tempo que a luz vinda de lá, a viajar a cerca de 300 mil quilómetros por segundo, demora a chegar até nós).

Concluiu-se que tanto essa onda gravitacional como a luz que vimos na Terra tinham sido originadas pela colisão de duas estrelas de neutrões, aos tais 130 milhões de anos-luz de distância. Numa dança mortal, essas duas estrelas de neutrões andaram em redor uma da outra durante milhões e milhões de anos, até que foram ficando mais próximas, giraram ainda de forma mais rápida e colidiram num fenómeno cataclísmico. O resultado foi a criação de ondas gravitacionais, subtis ondulações no tecido do espaço-tempo como quando se atira uma pedra para um charco, bem como uma explosão de luz, em particular de raios gama durante um curto período de tempo. Se da fusão das duas estrelas de neutrões nasceu outra estrela destas ou um buraco negro é o que ainda não sabe.

De supernova a quilonova

Estrelas de neutrões são estrelas que morreram. Quando uma estrela bastante maior do que o nosso Sol (a partir de oito massas) consome todo o hidrogénio em reacções nucleares, transformando-o em hélio, e nas fases finais produz uma sucessão de elementos químicos mais pesados até chegar ao ferro, significa que está moribunda. Depois, a sua parte central entra em colapso sobre si própria, tornando-se muito densa e dando origem ou a uma estrela de neutrões ou a um buraco negro. Em seguida há uma explosão para o espaço, que vemos como uma supernova.

De um buraco negro, o caroço que resultou do colapso da parte central da estrela, nem a matéria nem a luz de lá escapam, uma vez caídos nestes objectos superdensos. Sabemos que os buracos negros existem pelos efeitos que provocam na matéria à sua volta. Deles só podemos ver ondas gravitacionais, agora que as conseguimos detectar. Já de uma estrela de neutrões, se não estiver muito longe de nós, podemos ver a sua radiação, como raios X, e também é um objecto muito denso: tem pouco mais do que a massa do nosso Sol, esmagada num raio de apenas dez quilómetros.

E é aqui que começam os vários lados inéditos desta descoberta, anunciada numa conferência de imprensa do ESO e, ao mesmo tempo, noutra da equipa do LIGO e Virgo, nos Estados Unidos.

É a primeira vez que se observa a colisão de duas estrelas de neutrões. É a primeira vez que se localiza a fonte de uma onda gravitacional. É a primeira vez que se relaciona a origem de uma onda gravitacional com a origem de várias ondas electromagnéticas, que os nossos telescópios conseguem ver. É a confirmação de que as explosões curtas de raios gama, ondas electromagnéticas muito energéticas, têm origem na colisão de duas estrelas de neutrões.

E, ainda, que é neste cataclismo que tem origem parte (resta saber quanta) dos elementos químicos pesados do Universo – como o ouro e a platina, que depois foram reciclados durante a formação de outras estrelas e sistemas solares. O ouro e a platina existentes na Terra, e que gostamos tanto de ter em jóias, vêm daí, ou seja, da morte de outras estrelas. E também elementos como o érbio e o neodímio, que fazem parte das “terras raras”, tão cobiçadas para o fabrico de carros eléctricos e outras tecnologias. “A colisão de estrelas de neutrões é uma fábrica de elementos pesados. Podemos reconstituir a evolução dos elementos pesados no Universo”, acrescentou na conferência do ESO Elena Pian, do Instituto de Astrofísica Espacial e Física do Cosmos, em Bolonha, Itália.

 A juntar a tudo, os cientistas observaram pela primeira vez um fenómeno, proposto há mais de 30 anos, a que chamaram quilonova: a fusão de estrelas de neutrões também ejecta elementos pesados radioactivos, como o césio. “A luz de uma quilonova é uma luz produzida radioactivamente”, disse ainda Elena Pian. “Estas explosões em quilonovas, devido à fantástica luminosidade, podem ser observadas em galáxias distantes”, explicou ao PÚBLICO José Sande e Lemos, presidente do Centro de Astrofísica e Gravitação (CENTRA) do Instituto Superior Técnico, em Lisboa, e que não participou nestes trabalhos.

Tantas novidades trazidas pela nova era da astrofísica das ondas gravitacionais vão ser publicadas em inúmeros artigos científicos. Sete artigos vêm nas revistas Nature e Nature Astronomy, num dos quais se encontra um investigador que trabalha em Portugal, Santiago González Gaitán, do CENTRA. Outros sete artigos saem na revista Science e há ainda trabalhos na revista The Astrophysical Journal Letters.

“Esta descoberta é mais do que fantástica”, resume José Sande e Lemos. “É a primeira vez que um fenómeno é observado simultaneamente na janela das ondas gravitacionais e na janela das ondas electromagnéticas. Com estas observações, o entendimento acerca de matéria de altíssima densidade, que é a matéria que compõe as estrelas de neutrões, vai melhorar muito. E mostra que os detectores de ondas gravitacionais por interferómetros laser são mais uma grande invenção da humanidade.”

E agora o que se seguirá na astrofísica das ondas gravitacionais? “Será uma época de ouro”, antecipa José Sande e Lemos. “Vamos mapear o Universo, os seus buracos negros e estrelas de neutrões. Vamos perceber melhor de que matéria são feitas exactamente as estrelas de neutrões. Com detectores apropriados, pode ser possível detectar ondas gravitacionais do próprio Big Bang. E, quem sabe, novos objectos de que não suspeitamos podem ser descobertos.”