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Em 29 de maio de 2023, o detector LIGO Livingston observou um sinal misterioso, chamado GW230529. Originou-se da fusão de uma estrela de nêutrons com um objeto compacto desconhecido, provavelmente um buraco negro incomumente leve. Com uma massa apenas algumas vezes maior que a do nosso Sol, o objeto cai na “lacuna de massa inferior” entre as estrelas de nêutrons mais pesadas e os buracos negros mais leves. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional contribuíram para a descoberta com modelos precisos de formas de onda, novos métodos de análise de dados e tecnologia sofisticada de detectores. Embora este evento específico tenha sido observado apenas por causa de suas ondas gravitacionais, aumenta a expectativa de que mais eventos desse tipo também serão observados com ondas eletromagnéticas no futuro.
Durante cerca de 30 anos, os investigadores debateram se existe uma lacuna de massa que separa as estrelas de neutrões mais pesadas dos buracos negros mais leves. Agora, pela primeira vez, os cientistas encontraram um objeto cuja massa cai exatamente nesta lacuna, que se pensava estar quase vazia. “Estes são tempos muito entusiasmantes para a investigação das ondas gravitacionais, à medida que nos aprofundamos em domínios que prometem remodelar a nossa compreensão teórica dos fenómenos astrofísicos dominados pela gravidade”, afirma Alessandra Buonanno, Diretora do Instituto Max Planck de Física Gravitacional no Parque Científico de Potsdam.
A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que as estrelas de nêutrons sejam mais leves que três vezes a massa do nosso Sol. No entanto, o valor exato da massa máxima que uma estrela de nêutrons pode ter antes de colapsar em um buraco negro é desconhecido. “Considerando as observações eletromagnéticas e a nossa compreensão atual da evolução estelar, esperava-se que houvesse muito poucos buracos negros ou estrelas de nêutrons na faixa de três a cinco massas solares. No entanto, a massa de um dos objetos recém-descobertos alinha-se precisamente com esta faixa”, elabora Buonanno.
Nos últimos anos, os astrónomos descobriram vários objetos cujas massas potencialmente cabem nesta lacuna indescritível. No caso do GW190814, o LIGO e o Virgo identificaram um objeto no limite inferior do espectro de massa. No entanto, o objeto compacto detectado através do sinal de onda gravitacional GW230529 marca a primeira instância em que a sua massa cai inequivocamente dentro desta lacuna.
Nova execução de observação com detectores mais sensíveis e métodos de pesquisa aprimorados
A terceira série de observações altamente bem-sucedida dos detectores de ondas gravitacionais terminou na primavera de 2020, elevando o número de eventos de ondas gravitacionais conhecidos para 90. Antes do início da quarta série de observações em 24 de maio de 2023, os pesquisadores fizeram várias melhorias no detectores para aumentar sua sensibilidade.
“Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) em Hannover, juntamente com colegas do LIGO, melhoraram as fontes de laser dos detectores LIGO no coração dos instrumentos”, explica Karsten Danzmann, Diretor do Instituto Albert Einstein. e Diretor do Instituto de Física Gravitacional da Universidade Leibniz de Hannover. “Eles fornecem luz laser de alta precisão com potência de saída de até 125 watts, com as mesmas características em escalas de tempo muito curtas e muito longas.” Benno Willke, líder do grupo de desenvolvimento de laser do Instituto Albert Einstein em Hannover, acrescenta: “A confiabilidade e o desempenho dos novos amplificadores de laser de estado sólido são incríveis e estou convencido de que eles ainda serão usados na próxima atualização do detector. ”
Mas não só o hardware foi melhorado: a nova execução de observação aproveitou uma infra-estrutura eficiente de código de forma de onda, e a precisão, velocidade e conteúdo físico dos modelos de forma de onda desenvolvidos no Instituto Albert Einstein em Potsdam foram melhorados, de modo que o buraco negro propriedades podem ser extraídas em poucos dias.
A quarta corrida de observação começa com um estrondo
Apenas cinco dias após o lançamento da quarta série de observações, as coisas ficaram realmente emocionantes: em 29 de maio de 2023, o detector LIGO Livingston observou uma onda gravitacional que foi publicada em poucos minutos como candidato a sinal “S230529ay”. O resultado desta “análise online”, que foi realizada quase em tempo real à medida que o sinal chegava, foi que uma estrela de neutrões e um buraco negro provavelmente se fundiram a cerca de 650 milhões de anos-luz da Terra. No entanto, não é possível dizer exactamente onde ocorreu a fusão porque apenas um detector de ondas gravitacionais estava a registar dados científicos no momento do sinal. Portanto, a direção de onde vieram as ondas gravitacionais não pôde ser determinada.
Os pesquisadores certificaram-se de que o sinal não era uma perturbação local no detector LIGO Livingston, mas na verdade vinha do espaço profundo. “Entre outras coisas, examinamos todas as perturbações e flutuações aleatórias do ruído do detector que se assemelham a sinais fracos”, explica Frank Ohme, líder de um grupo de pesquisa Max Planck no Instituto Albert Einstein em Hannover. “GW230529 destaca-se claramente deste cenário e foi detectado de forma consistente por vários métodos de pesquisa independentes. Isto indica claramente uma origem astrofísica do sinal.”
Os astrofísicos também usaram o GW230529 para testar a teoria geral da relatividade de Einstein. “GW230529 está em perfeita concordância com as previsões da teoria de Einstein”, diz Elise Sänger, estudante de pós-graduação do Instituto Albert Einstein em Potsdam, que esteve envolvida no estudo. “Forneceu algumas das melhores restrições até o momento sobre teorias alternativas da gravidade usando eventos de ondas gravitacionais LVK.”
GW230529: Estrela de nêutrons encontra objeto compacto desconhecido
Para determinar as propriedades dos objetos que orbitavam entre si e se fundiam, produzindo o sinal da onda gravitacional, os astrônomos compararam os dados do detector LIGO Livingston com dois modelos de forma de onda de última geração. “Os modelos incorporam uma série de efeitos relativísticos para garantir que o modelo de sinal resultante seja o mais realista e abrangente possível, facilitando a comparação com dados observacionais”, diz Héctor Estellés Estrella, pesquisador de pós-doutorado na equipe do Albert Einstein Institute Potsdam que desenvolveu um dos modelos. “Entre outras coisas, nosso modelo de forma de onda pode descrever com precisão buracos negros girando no espaço-tempo a uma fração da velocidade da luz, emitindo radiação gravitacional através de múltiplos harmônicos”, acrescenta Lorenzo Pompili, estudante de doutorado no Instituto Albert Einstein em Potsdam, que também construiu o modelo.
GW230529 foi formado pela fusão de um objeto compacto com 1,3 a 2,1 vezes a massa do nosso Sol com outro objeto compacto com 2,6 a 4,7 vezes a massa solar. Se estes objetos compactos são estrelas de nêutrons ou buracos negros não pode ser determinado com certeza apenas pela análise das ondas gravitacionais. No entanto, com base em todas as propriedades conhecidas do binário, os astrônomos acreditam que o objeto mais leve é uma estrela de nêutrons e o mais pesado é um buraco negro.
A massa do objeto mais pesado reside, portanto, com segurança na lacuna de massa, que anteriormente se pensava estar praticamente vazia. Nenhum dos candidatos anteriores a objetos nesta faixa de massa foi identificado com a mesma certeza.
Cientistas esperam mais observações de sinais semelhantes
De todas as fusões entre estrelas de nêutrons e buracos negros observadas até o momento, GW230529 é aquela em que as massas dos dois objetos são menos diferentes. Tim Dietrich, professor da Universidade de Potsdam e líder de um grupo Max Planck Fellow no Instituto Albert Einstein, explica: “Se o buraco negro for significativamente mais pesado que a estrela de nêutrons, não resta matéria fora do buraco negro após a fusão. , e nenhuma radiação eletromagnética é emitida. Os buracos negros mais leves, por outro lado, podem destruir a estrela de neutrões com as suas forças de maré mais fortes, ejetando matéria que pode brilhar como uma quilonova ou uma explosão de raios gama”.
A observação de um sistema tão incomum logo após o início da quarta série de observações também sugere que podem ser esperadas mais observações de sinais semelhantes. Os investigadores calcularam a frequência com que estes pares se fundem e descobriram que estes eventos ocorrem pelo menos com a mesma frequência que as fusões anteriormente observadas de estrelas de neutrões com buracos negros mais pesados. Portanto, um brilho residual no espectro eletromagnético deve ser observado com mais frequência do que se pensava anteriormente.
os cientistas só podem fazer uma suposição sobre como foi formado o mais pesado dos objetos compactos – provavelmente um buraco negro leve – no binário que emitiu GW230529. É demasiado leve para ser o produto direto de uma supernova. É possível – mas improvável – que tenha sido formado durante uma supernova, onde o material inicialmente ejetado na explosão caia e faça com que o buraco negro recém-formado cresça. É ainda menos provável que o buraco negro tenha se formado na fusão de duas estrelas de nêutrons. A origem de um buraco negro primordial nos primeiros dias do universo também é possível, mas não muito provável. Finalmente, os investigadores não podem descartar completamente a possibilidade de o objeto mais pesado não ser um buraco negro leve, mas uma estrela de neutrões extremamente pesada.
A quarta execução de observação continua
Até agora, um total de 81 candidatos a sinais significativos foram identificados na primeira metade da quarta execução de observação. GW230529 é o primeiro deles que foi publicado após investigação detalhada. Após uma pausa no comissionamento de várias semanas e uma execução de engenharia subsequente, a segunda metade do O4 começa em 10 de abril. Ambos os detectores LIGO, Virgo e GEO600, participarão da segunda metade da execução.
Enquanto a execução de observação continua, os investigadores estão a analisar os dados observacionais do O4a e a verificar os restantes 80 candidatos a sinais significativos que já foram identificados. A sensibilidade dos detectores deve ser ligeiramente aumentada após o intervalo. Até ao final da quarta série de observações, em Fevereiro de 2025, espera-se que seja adicionado um número semelhante de novos candidatos, e o número total de sinais de ondas gravitacionais observados ultrapassará em breve os 200.
Observatórios de ondas gravitacionais
O LIGO é financiado pela NSF e operado pela Caltech e pelo MIT, que conceberam e construíram o projeto. O apoio financeiro para o projeto Advanced LIGO foi liderado pela NSF com a Alemanha (Sociedade Max Planck), o Reino Unido (Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia) e a Austrália (Conselho de Pesquisa Australiano) assumindo compromissos e contribuições significativas para o projeto. Mais de 1.600 cientistas de todo o mundo participam do esforço por meio da Colaboração Científica LIGO, que inclui a Colaboração GEO. Parceiros adicionais estão listados em https://my.ligo.org/census.php .
A Colaboração Virgo é atualmente composta por aproximadamente 880 membros de 152 instituições em 17 países diferentes (principalmente europeus). O Observatório Gravitacional Europeu acolhe o detector de Virgem perto de Pisa, na Itália, e é financiado pelo Centre National de la Recherche Scientifique, em França, pelo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, em Itália, e pelo Instituto Nacional de Física Subatómica, nos Países Baixos. Uma lista dos grupos da Virgo Collaboration pode ser encontrada em: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/ . Mais informações estão disponíveis no site da Virgem em https://www.virgo-gw.eu .
KAGRA é o interferômetro laser com braço de 3 km em Kamioka, Gifu, Japão. O instituto anfitrião é o Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio, e o projeto é co-organizado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão e pela Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia. A colaboração KAGRA é composta por mais de 400 membros de 128 institutos em 17 países/regiões. As informações do KAGRA para o público em geral estão no site https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/ . Recursos para pesquisadores estão acessíveis em http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA .
Fonte: Max Planck / Publicação 05/04/2024
Para saber mais, acesse o link >
https://www.mpg.de/21778967/0404-grav-mysterious-object-in-the-gap-152520-x
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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