Primeira detecção de ondas gravitacionais em buracos negros engolindo estrelas de nêutrons
Pela primeira vez, os cientistas detectaram as ondulações no espaço-tempo causadas pela espiral mortal de uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
Os pesquisadores da Universidade de Glasgow desempenharam um papel fundamental na colaboração internacional que tornou a detecção possível. Eles contribuíram para o design dos detectores – os instrumentos científicos mais sensíveis já construídos – e a análise de dados avançada necessária para fornecer uma interpretação astrofísica dos sinais.
As ondas gravitacionais são produzidas quando objetos celestes colidem e a energia resultante cria ondulações na estrutura do espaço-tempo que chegam até os detectores que temos aqui na Terra.
Em 5 de janeiro de 2020, o detector Advanced LIGO em Louisiana nos EUA e o detector Advanced Virgo na Itália observaram ondas gravitacionais desse tipo inteiramente novo de sistema astronômico.
LIGO e Virgo pegaram os estertores finais da espiral da morte entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro enquanto eles circulavam cada vez mais perto e se fundiam. Eles chamaram o sinal de GW200105.
De uma simulação de relatividade numérica de colaboração MAYA de uma fusão binária estrela de nêutrons-buraco negro. Focado na fusão de objetos mostrando a ruptura da estrela de nêutrons. Crédito: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), Karan Jani (Vanderbilt)
Surpreendentemente, apenas alguns dias depois, um segundo sinal foi captado por Virgo e ambos os detectores ALIGO – nos estados de Louisiana e Washington – novamente vindo das órbitas finais e colidindo com outra estrela de nêutrons e um par de buraco negro. Este sinal foi denominado GW200115.
Os cientistas há muito procuram binários estrela-buraco negro de nêutrons. Detecções de ondas gravitacionais anteriores revelaram uma população de buracos negros em colisão e estrelas de nêutrons se fundindo, mas a mistura de binários estrela de nêutrons-buraco negro provou ser elusiva. As observações anteriores forneceram dicas atraentes, mas nenhuma observação conclusiva.
O GW190814 anunciado anteriormente pode corresponder a tal binário, mas a massa inesperada do componente mais leve é mais provavelmente um buraco negro do que uma estrela de nêutrons. O sinal candidato GW190426_152155 poderia ser um buraco negro de estrela de nêutrons, mas é suficientemente silencioso para não ser claramente distinguível do ruído. Os novos sinais são detecções mais confiantes e observações mais claras de binários estrela de nêutrons-buraco negro.
O Dr. Christopher Berry, da Escola de Física e Astronomia da Universidade e do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica da Universidade Northwestern , disse: “A detecção de binários de buracos negros-estrelas de nêutrons representa o culminar de muitas décadas de trabalho de desenvolvimento gravitacional- detectores de ondas. Graças às melhorias em nossos instrumentos, somos capazes de detectar sinais de distâncias cada vez maiores, aumentando nossa taxa de detecção.
“À medida que construímos um catálogo maior de sinais de ondas gravitacionais, começamos a descobrir uma variedade maior de fontes. Essa diversidade nos fornece uma visão sem precedentes das propriedades dos buracos negros e estrelas de nêutrons.
“Usando medições de massas, giros e a taxa de fusões, podemos nos aprofundar nos detalhes de como estrelas massivas evoluem. Compreender como funcionam os sistemas estelares binários é uma das questões mais importantes da astronomia. O encaixe de todas as informações das observações das ondas gravitacionais nos permitirá definir os detalhes da evolução binária. Nos próximos anos, futuras execuções de observação fornecerão centenas de detecções, permitindo medições precisas de como estrelas massivas vivem suas vidas. ”
A professora Sheila Rowan, diretora do Instituto de Pesquisa Gravitacional da Universidade de Glasgow, disse: “Fizemos um progresso notável desde a primeira detecção histórica de ondas gravitacionais em 2015, dando início à era da astronomia das ondas gravitacionais. Esta primeira detecção da colisão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro demonstra que temos muitas novas descobertas para esperar, bem como novos sinais que ajudarão a aprofundar nossa compreensão do universo.
“Entre agora e o verão do próximo ano, os detectores LIGO serão atualizados novamente, usando o que aprendemos em execuções de observação anteriores para torná-los ainda mais sensíveis às vibrações do espaço-tempo. Estamos ansiosos para saber o que podemos aprender com as detecções futuras. ”
Durante décadas, os astrônomos previram e teorizaram que esse tipo de sistema – um buraco negro e uma fusão de estrelas de nêutrons – poderia existir, mas sem nenhuma evidência observacional convincente.
Agora que os cientistas das ondas gravitacionais finalmente testemunharam a existência desse sistema, eles podem começar a lançar mais luz sobre o nascimento, a vida e a morte das estrelas, bem como sobre como elas se formam.
O Dr. Berry acrescentou: “Enquanto as massas das fontes GW200105 e GW200115 correspondem às nossas expectativas para binários estrela-buraco negro de nêutrons, GW200115 tem uma medição de spin interessante. O giro de seu buraco negro está provavelmente desalinhado com o momento angular orbital. Esse tipo de desalinhamento não é normalmente esperado e pode indicar algo sobre como o sistema se formou.
“Talvez o binário tenha se formado dinamicamente em um ambiente denso como um aglomerado globular quando um buraco negro e uma estrela de nêutrons se aproximaram, em vez de se formar a partir de duas estrelas que viveram suas vidas juntas? Ou talvez isso esteja mostrando como as explosões de supernovas podem desalinhar os giros dos buracos negros? Ou talvez esta seja uma medição por acaso e os spins normalmente estão alinhados? As observações futuras dos binários estrela-buraco negro de nêutrons nos permitirão separar essas possibilidades. ”
Referência: “Observação de ondas gravitacionais de duas coalescências de estrela de nêutrons-buraco negro” por R. Abbott, TD Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, A. Adams, C. Adams, RX Adhikari, VB Adya, C. Affeldt […] AB Zimmerman, Y. Zlochower, ME Zucker, J. Zweizig and the LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, and the KAGRA Collaboration, 29 June 2021, Astrophysical Journal Letters .
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac082e
A contribuição do Reino Unido para as colaborações é financiada pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia. A colaboração científica do LIGO compreende mais de 1.300 cientistas de 18 países e inclui pesquisadores de 11 universidades do Reino Unido.
O LIGO é financiado pela National Science Foundation (NSF) e operado pela Caltech e MIT , que concebeu o LIGO e liderou o projeto. O apoio financeiro para o projeto Advanced LIGO foi liderado pela NSF com a Alemanha (Max Planck Society), o Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) e a Austrália (Australian Research Council-OzGrav) assumindo compromissos e contribuições significativas para o projeto. Aproximadamente 1.400 cientistas de todo o mundo participam do esforço por meio da Colaboração Científica LIGO, que inclui a Colaboração GEO.
A Colaboração Virgo é atualmente composta por aproximadamente 650 membros de 119 instituições em 14 países diferentes, incluindo Bélgica, França, Alemanha, Hungria, Itália, Holanda, Polônia e Espanha. O Observatório Gravitacional Europeu (EGO) hospeda o detector de Virgem perto de Pisa na Itália e é financiado pelo Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França, o Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália e Nikhef na Holanda.
Operando no subsolo, o KAGRA é um interferômetro a laser com braço de três quilômetros em Kamioka, Gifu, Japão. O observatório é hospedado pelo Instituto de Pesquisas de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio, e o projeto é co-hospedado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão e pela Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia. Após a sua construção em 2019, o KAGRA juntou-se à rede internacional de ondas gravitacionais de LIGO e Virgo. A coleta de dados começou na fase final do O3b, fevereiro de 2020. O Congresso Científico KAGRA é composto por mais de 460 membros de 115 institutos em 14 países / regiões.
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