A primeira detecção de ondas gravitacionais da fusão cataclísmica de duas estrelas de nêutrons, e a observação da luz visível após a fusão, finalmente responder a uma pergunta de longa data na astrofísica:Onde estão os elementos mais pesados, variando de prata e outros metais preciosos ao urânio, vem de onde?

Com base no brilho e na cor da luz emitida após a fusão, que se aproximam das previsões teóricas da Universidade da Califórnia, Físicos do Laboratório Nacional de Berkeley e Lawrence Berkeley, os astrônomos podem agora dizer que o ouro ou a platina em sua aliança de casamento foi provavelmente forjado durante a fusão breve, mas violenta, de duas estrelas de nêutrons em órbita em algum lugar do universo.

Esta é a primeira detecção de uma fusão de estrela de nêutrons pelos detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO) nos Estados Unidos, cujos líderes receberam o Prêmio Nobel de Física há duas semanas, e o detector de Virgem na Itália. O LIGO já havia detectado ondas gravitacionais de quatro fusões de buracos negros, e Virgo um, mas tais eventos devem ser completamente escuros. Esta é a primeira vez que uma luz associada a uma fonte de ondas gravitacionais foi detectada.

"Trabalhamos há anos para prever como seria a luz de uma fusão de nêutrons, "disse Daniel Kasen, um professor associado de física e astronomia na UC Berkeley e um cientista no Berkeley Lab. "Agora essa especulação teórica de repente ganhou vida."

A fusão da estrela de nêutrons, apelidado de GW170817, foi detectado em 17 de agosto e imediatamente telegrafado para observadores em todo o mundo, que viraram seus pequenos e grandes telescópios na região do céu de onde vieram. As ondulações no espaço-tempo que LIGO / Virgo mediu sugeriram uma fusão de estrelas de nêutrons, já que cada estrela do binário pesava entre 1 e 2 vezes a massa do nosso sol. Além de buracos negros, estrelas de nêutrons são os objetos mais densos conhecidos no universo. Eles são criados quando uma estrela massiva esgota seu combustível e colapsa sobre si mesma, comprimindo uma massa comparável à do sol em uma esfera de apenas 10 milhas de diâmetro.

Apenas 1,7 segundos depois que as ondas gravitacionais foram registradas, o telescópio espacial Fermi detectou uma pequena explosão de raios gama da mesma região, evidências de que jatos concentrados de energia são produzidos durante a fusão de estrelas de nêutrons. Menos de 11 horas depois, os observadores tiveram o primeiro vislumbre de luz visível da fonte. Foi localizado em uma galáxia conhecida, NGC 4993, situado a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra na direção da constelação de Hidra.

A detecção de uma fusão de estrela de nêutrons foi surpreendente, porque as estrelas de nêutrons são muito menores do que os buracos negros e suas fusões produzem ondas gravitacionais muito mais fracas do que as fusões dos buracos negros. De acordo com o professor de astronomia e física de Berkeley, Eliot Quataert, "Estávamos prevendo que o LIGO encontraria uma fusão de estrelas de nêutrons nos próximos anos, mas vê-lo tão próximo - para os astrônomos - e tão brilhante em luz normal excedeu todas as nossas expectativas mais selvagens. E, ainda mais surpreendente, Acontece que a maioria de nossas previsões de como seriam as fusões de estrelas de nêutrons vistas por telescópios normais estavam certas! "

As observações do LIGO / Virgo de ondas gravitacionais e a detecção de sua contraparte óptica serão discutidas em uma coletiva de imprensa às 10h00 EDT na segunda-feira, 16 de outubro no National Press Club em Washington, D.C. Simultaneamente, várias dezenas de artigos discutindo as observações serão publicados online por Natureza , Ciência e a Astrophysical Journal Cartas.

Gênesis dos elementos

Enquanto o hidrogênio e o hélio foram formados no Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás, elementos mais pesados ​​como carbono e oxigênio foram formados posteriormente nos núcleos das estrelas por meio da fusão nuclear de hidrogênio e hélio. Mas esse processo só pode construir elementos de ferro. Fazer os elementos mais pesados ​​requer um ambiente especial no qual os átomos são bombardeados repetidamente por nêutrons livres. À medida que os nêutrons aderem aos núcleos atômicos, elementos mais acima na tabela periódica são construídos.

Onde e como esse processo de produção de elementos pesados ​​ocorre tem sido uma das questões mais antigas da astrofísica. A atenção recente voltou-se para fusões de estrelas de nêutrons, onde a colisão das duas estrelas lança nuvens de matéria rica em nêutrons para o espaço, onde eles poderiam se reunir em elementos pesados.

A especulação de que os astrônomos podem ver a luz desses elementos pesados ​​remonta à década de 1990, mas a ideia vinha ganhando poeira até 2010, quando Brian Metzger, em seguida, um estudante recém-formado na UC Berkeley, agora professor de astrofísica na Universidade de Columbia, foi coautor de um artigo com Quataert e Kasen no qual calcularam a radioatividade dos fragmentos da estrela de nêutrons e estimaram seu brilho pela primeira vez.

"À medida que a nuvem de detritos se expande para o espaço, "Metzger disse, "a decadência dos elementos radioativos o mantém quente, fazendo com que brilhe. "

Metzger, Quataert, Kasen e colaboradores mostraram que esta luz da fusão de estrelas de nêutrons era cerca de mil vezes mais brilhante do que as explosões normais de nova em nossa galáxia, motivando-os a nomear esses flashes exóticos de "kilonovae".

Ainda, questões básicas permaneceram sobre como um kilonova realmente se pareceria.

"Detritos de fusão de estrelas de nêutrons são coisas estranhas - uma mistura de metais preciosos e lixo radioativo, "Kasen disse.

Os astrônomos não conhecem fenômenos comparáveis, então Kasen e colaboradores tiveram que se voltar para a física fundamental e resolver equações matemáticas que descrevem como a estrutura quântica de átomos pesados ​​determina como eles emitem e absorvem luz.

Jennifer Barnes, um pós-doutorado em Einstein na Columbia, trabalhou como estudante de graduação em Berkeley com Kasen para fazer algumas das primeiras previsões detalhadas de como deveria ser uma kilonova.

"Quando calculamos as opacidades dos elementos formados em uma fusão de estrelas de nêutrons, encontramos muitas variações. Os elementos mais leves eram opticamente semelhantes aos elementos encontrados em supernovas, mas os átomos mais pesados ​​eram mais de cem vezes mais opacos do que o que estamos acostumados a ver em explosões astrofísicas, "disse Barnes." Se elementos pesados ​​estiverem presentes nos destroços da fusão, sua alta opacidade deve dar às quilonovas uma tonalidade avermelhada. "

"Acho que desanimamos toda a comunidade astrofísica quando anunciamos que, ", Disse Kasen." Estávamos prevendo que um kilonova deveria ser relativamente tênue e mais vermelho do que o vermelho, o que significa que seria uma coisa incrivelmente difícil de encontrar. Do lado positivo, definimos uma arma fumegante - você pode dizer que está vendo elementos pesados ​​recém-produzidos por sua cor vermelha distinta. "

Isso é exatamente o que os astrônomos observaram.

Uma 'previsão traiçoeira'

A descoberta de agosto LIGO / Virgo de uma fusão de estrelas de nêutrons significou que "o dia do julgamento para os teóricos viria mais cedo do que o esperado, "Kasen disse.

"Durante anos, a ideia de um kilonova existiu apenas em nossa imaginação teórica e em nossos modelos de computador, "disse ele." Dada a complexa física envolvida, e o fato de que não tínhamos praticamente nenhuma entrada de observação para nos guiar, era uma previsão insanamente traiçoeira - os teóricos estavam realmente arriscando o pescoço. "

Mas, à medida que os dados chegavam, uma noite após a outra, as imagens começaram a se reunir em uma imagem surpreendentemente familiar.

Nas primeiras noites de observações, a cor do evento de fusão era relativamente azul com um brilho que combinava muito bem com as previsões dos modelos kilonova se as camadas externas dos destroços da fusão fossem feitas de elementos preciosos leves, como prata. Contudo, ao longo dos dias seguintes, a emissão tornou-se cada vez mais vermelha, uma assinatura de que as camadas internas da nuvem de detritos também contêm os elementos mais pesados, como platina, ouro e urânio.

"Talvez a maior surpresa tenha sido o quão bem comportado o sinal visual agiu em comparação com nossas expectativas teóricas, "Metzger observou." Ninguém nunca tinha visto uma fusão de estrela de nêutrons de perto antes. Reunir o quadro completo de tal evento envolve uma ampla gama de física - relatividade geral, hidrodinâmica, física nuclear, física atômica. Combinar tudo isso e chegar a uma previsão que corresponda à realidade da natureza é um verdadeiro triunfo para a astrofísica teórica. "

Kasen, que também era membro de equipes de observação que descobriram e conduziram observações de acompanhamento da fonte, relembrou a emoção do momento:"Eu ficava acordado depois das 3 da manhã, noite após noite, comparando nossos modelos com os dados mais recentes, e pensando, 'Eu não posso acreditar que isso está acontecendo; Estou olhando para algo nunca antes visto na Terra, e eu acho que realmente entendo o que estou vendo. '"

Kasen e seus colegas apresentaram modelos de kilonova atualizados e interpretações teóricas das observações em um artigo lançado em 16 de outubro antes da publicação em Natureza . Seus modelos também estão sendo usados ​​para analisar um amplo conjunto de dados apresentados em sete artigos adicionais que aparecem em Natureza , Ciência e a Astrophysical Journal .

Não apenas as observações confirmaram as previsões teóricas, mas a modelagem permitiu que Kasen e seus colegas calculassem a quantidade e a composição química do material produzido. Os cientistas inferiram que cerca de 6 por cento de uma massa solar de elementos pesados ​​foram feitos. A produção de ouro sozinha foi de cerca de 200 massas terrestres, e a da platina, quase 500 massas terrestres.

Inicialmente, astrofísicos pensaram que supernovas comuns podem ser responsáveis ​​pelos elementos pesados, mas sempre houve problemas com essa teoria, disse o co-autor Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz. De acordo com Ramirez-Ruiz, as novas observações apoiam a teoria de que as fusões de estrelas de nêutrons podem ser responsáveis ​​por todo o ouro do universo, bem como cerca de metade de todos os outros elementos mais pesados ​​que o ferro.

"Na maioria das vezes na ciência, você está trabalhando para avançar gradualmente um assunto estabelecido, "Kasen disse." É raro estar por perto para o nascimento de um campo inteiramente novo da astrofísica. Acho que todos nós temos muita sorte por ter tido a chance de desempenhar um papel. "

O trabalho de Kasen é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, e as simulações foram viabilizadas por recursos do National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). O trabalho de Kasen e Quataert é apoiado pela Fundação Gordon and Betty Moore. Quataert também é apoiado pela Fundação Simons.