p Em 17 de agosto, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferometria a Laser (LIGO) detectou a quinta impressão digital de uma grande perturbação no espaço-tempo desde que o LIGO começou a operar em setembro de 2015. Ao contrário dos primeiros quatro conjuntos de ondulações, que refletiu colisões entre dois buracos negros, a forma dessas distorções do espaço-tempo sugeria uma colisão entre duas estrelas de nêutrons. p Embora as colisões de buracos negros não produzam quase nenhuma assinatura além das ondas gravitacionais, a colisão de estrelas de nêutrons pode ser - e foi - observada para cima e para baixo no espectro eletromagnético. "Quando estrelas de nêutrons colidem, todo o inferno se solta, "disse Frans Pretorius, um professor de física de Princeton. "Eles começam a produzir uma quantidade enorme de luz visível, e também raios gama, Raios X, ondas de rádio…."

p Os pesquisadores de Princeton vêm estudando estrelas de nêutrons e suas assinaturas astronômicas há décadas.

p Estrelas de nêutrons e raios gama:Bohdan Paczynski e Jeremy Goodman

p As ondas gravitacionais foram a primeira evidência da fusão das estrelas de nêutrons a chegar à Terra, seguido por uma explosão de raios gama que chegou 1,7 segundos depois.

p A conexão entre estrelas de nêutrons e explosões de raios gama foi identificada pela primeira vez pelos astrofísicos de Princeton em 1986, disse James Stone, o Lyman Spitzer Jr., Professor de Astrofísica Teórica e catedrático do Departamento de Ciências Astrofísicas. "Muitas das descobertas anunciadas [16 de outubro] confirmam as previsões básicas feitas há 30 anos aqui em Princeton."

p Ele estava se referindo a um conjunto de documentos consecutivos de Bohdan Paczynski, o falecido Lyman Spitzer Jr. Professor de Astrofísica Teórica, e Jeremy Goodman, um Ph.D. de 1983. graduado que estudou com Paczynski e agora é professor no departamento. Em seus artigos, Paczynski e Goodman argumentaram que estrelas de nêutrons em colisão podem ser as fontes de explosões de raios gama, um misterioso, fonte de energia de curta duração identificada pela primeira vez por satélites no final dos anos 1960.

p "Nós dois nos referimos a essa possibilidade. Quem primeiro apresentou essa ideia? Eu não sei, porque estávamos em constante conversa, "Goodman disse." Nós sabíamos que [as estrelas de nêutrons] deveriam ocasionalmente colidir - sabíamos disso por causa do trabalho de Joe Taylor [físico de Princeton e ganhador do Nobel]. "

p Além disso, Paczynski percebeu que a maioria das explosões de raios gama vinham de distâncias suficientemente distantes para que a expansão do universo afetasse sua distribuição aparente.

p "Bohdan Paczynski estava absolutamente certo, "disse Goodman. No entanto, suas idéias não foram imediatamente adotadas pelo campo. "Lembro-me de ir a uma conferência em Taos, Novo México. … Bohdan deu uma breve palestra sobre sua ideia de que as explosões de raios gama vêm de distâncias cosmológicas. Lembro-me desses outros astrofísicos ... eles ficaram respeitosamente calados quando ele falou, mas o considerava um tanto lunático. "

p Ele adicionou, "Bohdan Paczynski era um pensador muito ousado."

p Estrelas de nêutrons colidem:Joseph Taylor, Russell Hulse e Joel Weisberg

p A possibilidade de colisão de estrelas de nêutrons que provocou a discussão de Paczynski e Goodman apareceu pela primeira vez em um artigo de Joseph Taylor de 1981, agora o distinto professor de física da Universidade James S. McDonnell, Emérito. Sua descoberta de 1974 de estrelas de nêutrons binárias com seu então aluno de graduação Russell Hulse, que mais tarde trabalhou no Laboratório de Física de Plasma de Princeton, recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1993. Eles mostraram que as duas estrelas de nêutrons que avistaram estavam separadas por cerca de meio milhão de milhas e orbitando uma a outra a cada 7,75 horas.

p Em 1981, logo depois de vir para Princeton, Taylor e o então professor assistente Joel Weisberg anunciaram que, com medições precisas feitas ao longo de vários anos, eles confirmaram que a distância e o período estão mudando com o tempo, com um decaimento orbital que coincide com a previsão de Albert Einstein para perda de energia devido à emissão de ondas gravitacionais. A órbita está diminuindo tão infinitesimalmente que levará cerca de 300 milhões de anos para as estrelas de nêutrons do binário Hulse-Taylor colidirem e se fundirem.

p "Uma vez que o binário da estrela de nêutrons Hulse-Taylor foi compreendido, com experimentos de tempo subsequentes mostrando consistência com a relatividade geral, estava claro que as colisões aconteceriam, "disse Steven Gubser, professor de física. "Assim, ao celebrarmos a primeira detecção de onda gravitacional de estrelas de nêutrons em colisão, vamos também dar crédito a Joe Taylor e Russell Hulse por sua descoberta original de pulsares binários, e para a demonstração de que são na verdade estrelas de nêutrons orbitando uma a outra, apenas esperando para colidir. "

p Como as estrelas se fundem:Steven Gubser e Frans Pretorius

p Imagine uma moeda girando em uma mesa. À medida que o atrito drena energia do sistema, a moeda começa a oscilar em torno de sua borda externa, fazendo um som de "whop ... whop ... whop ... whop" que acelera (whop-whop-whop-whop) e acelera (whopwhopwhopwhop) até que seja apenas um borrão de som que aumenta em um "whoooop" final como o quarto nivela na mesa.

p Essa é a demonstração que Gubser e Pretorius forneceram ao descrever como buracos negros (ou estrelas de nêutrons) colidem - uma maravilha astronômica que o LIGO já detectou cinco vezes. Em uma palestra recente para seu livro, "O Pequeno Livro dos Buracos Negros, "publicado pela Princeton University Press, Gubser e Pretorius usaram um disco de cerca de sete centímetros em vez de um quarto, para que o público pudesse ver e ouvir com mais facilidade o lento mas constante aumento de velocidade do disco.

p "Você normalmente pensaria em perder energia como uma ação correspondente à desaceleração, não acelerando, mas você viu com o disco que na verdade ele pode ir para o outro lado, "disse Gubser depois." À medida que o disco perde energia com a fricção, seu ponto de contato se move cada vez mais rápido, e produz aquela frequência de elevação característica. "

p Quer os objetos em colisão sejam estrelas de nêutrons ou buracos negros - ou um de cada um - o movimento giratório e seu som seguem o mesmo padrão. À medida que a energia das ondas gravitacionais se esvai, os dois objetos irão orbitar um ao outro cada vez mais rápido, indo para sua morte inevitável.

p No caso da colisão que o LIGO detectou em 17 de agosto, as duas estrelas - cada uma do tamanho de Manhattan e com quase o dobro da massa do sol - estavam girando em torno uma da outra centenas de vezes por segundo, movendo-se a uma fração significativa da velocidade da luz antes de colidirem.

p "O experimento de tempo de Taylor e Weisberg mostrou o início desse padrão, surgindo de uma lenta espiral, "disse Gubser." A frequência aumenta muito lentamente, e é por isso que foi uma medição tão impressionante. "

p Por contraste, ele disse, "na fase final da espiral, a frequência aumenta rapidamente, e você obtém o tipo de onda de 'grito' ou 'chiado' que o LIGO viu. "

p O que as estrelas criam:Adam Burrows e David Radice

p Quando as estrelas se chocam com uma fração apreciável da velocidade da luz, a colisão funde os átomos e cria os elementos que preenchem as linhas inferiores da tabela periódica.

p "Esses elementos - platina, ouro, muitos outros menos valiosos que estão no topo da tabela periódica - eles têm mais nêutrons do que prótons em seus núcleos, "Goodman disse." Você não pode chegar a esses núcleos da mesma maneira que entendemos os elementos até a produção de ferro, adicionando efetivamente um nêutron de cada vez. O problema é que você precisa adicionar muitos nêutrons muito rapidamente. ”Esse processo rápido é conhecido pelos físicos como o processo-r.

p Por muito tempo, os cientistas pensaram que os elementos do processo r foram criados em supernovas, mas os números não batiam, Goodman disse. "Mas as estrelas de nêutrons são principalmente nêutrons, e se você esmagar dois deles, é razoável esperar que alguns dos nêutrons espirrem. "

p "Os produtos desta fusão podem ser ouro, urânio, európio - alguns dos elementos mais pesados ​​da natureza, "disse Adam Burrows, professora de astrofísica e diretora do Programa em Planetas e Vida.

p Burrows e David Radice, um pesquisador associado, recentemente ganhou financiamento do Departamento de Energia dos EUA para investigar a fusão de estrelas de nêutrons e supernovas, que Burrows descreve coletivamente como "alguns dos fenômenos mais explosivos, alguns dos mais violentos, que ocorrem regularmente no universo. "

p As observações espectroscópicas do Very Large Telescope (VLT) do European Southern Observatory na sequência da detecção do LIGO confirmaram que metais pesados ​​como a platina, chumbo e ouro foram criados na colisão de duas estrelas de nêutrons.

p Os dados VLT usados ​​para identificar esses elementos, os comprimentos de onda visíveis e quase visíveis da luz, foram recolhidos nas horas e dias seguintes à detecção das ondas gravitacionais pelo LIGO. Assim que a notícia da descoberta do LIGO começou a se espalhar, a comunidade astronômica mundial treinou seus telescópios e outros instrumentos no pedaço de céu de onde vieram as ondas gravitacionais, no que o ex-pesquisador de pós-doutorado em Princeton, Brian Metzger, chamou de "a campanha eletromagnética mais ambiciosa e emocionalmente carregada da história, provavelmente, para qualquer transitório [evento de curta duração]. "

p Metzger, professor assistente de física na Columbia University, foi um dos quase 4, 000 co-autores no artigo que descreve as observações de acompanhamento de raios-X, raios gama, ondas de luz visíveis, ondas de rádio e muito mais. "Esta foi uma descoberta pancromática realmente incrível de ondas gravitacionais, basicamente em cada comprimento de onda, " ele disse.

p O impacto na comunidade astronômica se compara a apenas um outro evento em sua vida, disse Goodman:a supernova de 1987. As observações daquela explosão estelar forneceram uma solução concreta para inúmeras questões e teorias astronômicas. "As pessoas estavam construindo este modelo para supernovas, [a] edifício teórico imponente, e as bases de observação eram um pouco instáveis, "Goodman disse." Ninguém poderia pensar em um modelo melhor para essas coisas, mas então ver ... não sei como descrever, é como receber um telegrama de Deus, dizendo exatamente quais foram esses eventos. "

p As resmas de dados coletados dos "fogos de artifício eletromagnéticos" produzidos pela fusão das estrelas de nêutrons tiveram um efeito semelhante, Goodman disse. "Tínhamos todo tipo de especulação ... mas agora temos essas ondas gravitacionais. É exatamente o que esperávamos para duas massas compactas!"

p "Este é o futuro da detecção de ondas gravitacionais, que é uma nova astronomia que foi inaugurada, "disse Burrows." É uma nova janela para o universo que foi antecipada por décadas, e é uma incrível concretização das ambições de milhares de cientistas, tecnólogos, que realmente realizou o que muitas pessoas pensaram que não poderiam. "