Sondando a expansão do universo

Inside Science News Service

Link para o original: Astrophysics Probe Expansion Of The Universe

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Galáxias distorcidas por lentes gravitacionais aparecem nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble. Crédito da Imagem: NASA/ESA

Imagens de galáxias distorcidas são um novo recurso para o estudo da matéria escura e da energia escura.

25 de abril de 2015.
Autor: Ramin Skibba, Contribuidor do ISNS.

(Inside Science) – O universo é cheio de galáxias, mas a gravidade distorce as imagens que obtemos delas. Os astrofísicos da Dark Energy Survey criaram catálogos gigantescos dos formatos distorcidos de 24 milhões de galáxias distantes, tornando possível uma sondagem da estrutura subjacente do universo em rápida expansão.

Os cientistas da Dark Energy Survey investigaram a “rede cósmica” de galáxias no mínimo tão grandes quanto a Via Láctea — assim como os aglomerados ocultos de matéria escura. Suas descobertas foram apresentadas no encontro de 17 de abril da American Physical Society em Salt Lake City.

A matéria escura não pode ser vista diretamente, entretanto, tal como um animal pode inferir a existência de um predador ao ver sua sombra, os astrofísicos inferem a distribuição da matéria escura pela detecção de seus efeitos gravitacionais. Segundo a Teoria da Relatividade de Einstein, um objeto massivo pode distorcer a tessitura do espaço-tempo, desviando a trajetória dos raios de luz que emanam de galáxias no fundo, apliando e distorcendo as imagens.

Existe entre cinco e seis vezes mais matéria escura do que matéria comum que inclui galáxias, estrelas, nebulosas e planetas. Porém, uma rede de aglomerados de matéria escura preenche o universo, o que faz com que, se olharmos para longe o bastante, poderemos observar suas “lentes cósmicas” em qualquer direção. O efeito dessas lentes é extremamente pequeno, mas colete-se um número suficiente de imagens e os cientistas serão capazes de realizar estudos estatísticos sobre elas. Os astronomos da DES acabam de fazer exatamente isto. Eles bisbilhotaram milhões de gigabytes de dados e produziram um mapa preliminar da localização de 24 milhões de galáxias, indicando as regiões mais densamente povoadas com galáxias, cada uma delas com centenas de bilhões de estrelas.

“Eu nem consigo descrever como esse mapa é fabuloso”, declarou Michael Troxel, astrofísico da Universidade de Manchester, no Reino Unido, e membro da colaboração.

Troxel e seus colegas agora estão usando este mapa detalhado das galáxias distorcidas para reconstruir a armação da matéria escura do universo. Durante este processo, eles panejam fazer i maior mapa da distribuição da matéria escura já feito. Sua meta é completar o projeto até o final de 2016.

Seu levantamento de cinco anos, começado em 2013, usa a câmera de 570 megapixels montada no Telescópio Blanco de 4 metros nas montanhas do Norte do Chile. A colaboração inclui mais de 400 cientistas de sete apíses. Ao final, eles terão mapeado um oitavo do céu  noturno.

Além do estudo da distribuição de galáxias, Troxel e seus colegas também compararam seus mapas com as medições da radiação deixada pelo Big Bang, chamada de Fundo Cósmico de Micro-ondas que é medido pelo Telescópio do Polo Sul e pelo satélite Planck. Isto permite aos cientistas examinarem as conexões entre o universo primevo e as galáxias que vemos hoje.

Em particular, eles buscam medir a taxa de expansão do universo da maneira mais precisa possível. Não desmentindo seu nome, a Dark Energy Survey está sendo usada para determinar como a misteriosa “energia escura” está acelerando esta expansão. Segundo Troxel, até agora suas descobertas estão consistentes com aquelas obtidas por outros astrofísicos que usam o satélite Planck.

Mas eles ainda estão preocupados com incertezas que podem dar um viés a suas conclusões. “Nós não temos controle sobre o tempo ou a atmosfera”, argumentou o astrofísico da New York University Boris Leistedt, outro membro da colaboração. Segundo ele, é um ponto crítico controlar esses efeitos e se assegurar que os dados não sejam afetados pelos mesmos.

Seu colega, Ravi Gupta do Argonne National Laboratory, concorda. Segundo ele, “esta nova era de cosmologia de precisão apresenta novos desafios”.

Gupta não estuda galáxias, mas supenovas, as explosões de estelas moribundas, as quais as sensíveis câmeras da DES também capturam. Uma vez que tenham compreendido o quão luminosas essas explosões deveriam ser, cada vez que virem uma supernova nascer, eles poderão estimar o quão distante ela está e isto dá uma nova ferramenta para medir a expansão do universo. Gupta e sua equipe observaram recentemente dúzias de supernovas “superluminosas”, até 100 vezes mais brilhantes do que a variedade mais comum. Elas podem ser vistas a dezenas de milhões de anos luz de distância e ele espera poder usá-las para examinar a expansão do universo em seu passado mais profundo.

“O desafio corrente é o de calibrar as medições realizadas e reduzir as incertezas sistêmicas”, diz Shirley Ho, uma astrofísica da Carnegie Mellon University, não participante da colaboração. Ela ansia pela publicação dos dados e dos mapas do primeiro ano da DES , “que serão algo entusiasmante para se trabalhar com”, segundo ela. E acrescenta: “Os cientistas da Dark Energy Survey são os primeiros a po0r limites na cosmologia pela correlação entre os dados das lentes gravitacionais e o fundo cósmico de micro-ondas. Isto é muito legal”.


Ramin Skibba é um escritor de ciências que trabalha em Santa Cruz e San Diego, California. Seu twitter é @raminskibba.

A procura das ondas gravitacionais

Inside Science News Service

 

Link para o original: For Some, Einstein’s Space-Time Ripples Have Yet To Break Their Silence

O Telescópio Green Bank em West Virginia
Crédito do Imagem: Gabriel Popkin (licença padrão da Creative Commons)

Avaliando o que a detecção pelo LIGO significa para outros meios de busca de ondas gravitacionais.

25 de março de 2016
Por: Gabriel Popkin, Contribuidor do ISNS

(Inside Science) — Quando os chefes do Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, ou LIGO, anunciaram em fevereiro a primeira detecção direta jamais feita de uma onda gravitacional, os astrofísicos Scott Ransom do National Radio Astronomy Observatory e Andrea Lommen da Franklin and Marshall University em Lancaster, Pennsylvania, tiveram sentimentos mistos.

Por um lado, isso significava que as equipes que eles e outros lideravam, fazendo a busca pelas ondas gravitacionais com radiotelescópios e apontadas para o tipo de estrela conhecido como pulsar, não iam conseguir ser os primeiros. “Nós adorávamos a ideia de sermos os azarões do páreo”, admitiu Ransom.

Por outro lado, eles ficaram entusiasmados pelos seus colegas no LIGO — e pela astronomia de ondas gravitacionais. “Eu fiquei realmente entusiasmado por um dia inteiro, penso eu, até que bateu o ciúme”, diz Lommen. “Nós todos vinhamos trabalhando nesse campo que não detectou coisa alguma por 20, 30 anos — e agora temos uma detecção. As pessoas não podem mais rir de nossas caras”.

Acima de tudo, Ransom, Lommen e seus colegas tinham a esperança que, como uma maré enchente, o entusiasmo acerca da descoberta desse um novo impulso à pesquisa por ondas gravitacionais – inclusive suas próprias.

O campo precisava dessa validação. Os rádiotelescópios e os futuros observatórios de ondas gravitacionais no espaço tinham sofrido os maiores cortes no orçamento nos últimos anos e, o que parecia em 2014 ser uma descoberta das ondas gravitacionais do Big Bang, se revelou ser apenas poeira cósmica. Em contraste, o sucesso do LIGO que parece quase certo que permanecerá, promete ser apenas o começo da era da astronomia de ondas gravitacionais, na qual vários tipos de instrumentos vão começar a responder questões críticas acerca dessas ondas — e sobre os objetos que as produzem.

Porém o LIGO não pode fazer tudo sozinho. Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein e as observações feitas pelos astrônomos no último século, o universo deveria estar cheio de ondas gravitacionais de várias potências e frequências. Entretanto o LIGO só pode detectar ondas de alta frequência, tais como a detectada em 14 de setembro de 2015, gerada pelos momentos finais da fusão de dois buracos negros.

É aí onde entram três outras maneiras de detectar ondas gravitacionais: rastreamento de pulsares, interferometria laser no espaço e estudo das radiações vinda do universo quando jovem. Tal como os telescópios atuais que podem enxergar em radiofrequência, infravermelho, ultravioleta e raios X, além da luz visível, continuam a revelar novas facetas de nosso universo, somente com todos os quatro métodos de detecção os astrônomos poderão ter acesso a todas as informações que as ondas gravitacionais podem fornecer. Tal como Gabriela Gonzalez, física da Louisiana State University em Baton Rouge e porta-voz do LIGO colocou na conferência de imprensa de 11 de fevereiro passado que anunciou a descoberta inicial: “Eu quero ver todas essas janelas se abrirem tão logo possível”.

 

O núcleo do aglomerado globular Tucanae, uma vasta nuvem de velhas estrelas  encontradas na constelação do Tucano, que contém 25 pulsares de milissegundo conhecidos. Crédito: ESO, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 

Ouvindo os pulsares

Albert Einstein predisse a existência das ondas gravitacionais em 1916, um ano após publicar sua teoria da relatividade geral. Poré, já que mesmo uma forte onda gravitacional teria efeitos muito diminutos sobre a Terra, fazendo com que os objetos se deslocassem por muito menos do que o diâmetro de um próton, Einstein desistiu de jamais detectar uma delas experimentalmente.

No início da década de 1980, no entanto, a caçada começou. A National Science Foundation financiou os primeiros estudos que, eventualmente, levariam ao LIGO e os pesquisadores já começavam a pensar em outras maneiras de detectar as pequenas ondulações da gravidade. Uma delas era estudar os sinais vindos de estrelas que giram rapidamente, os pulsares. Um pulsar é formado quando um estrela com pelo menos 1,4 massas solares explode como supernova e sua massa restante colapsa em uma esfera de nêutrons densa e com giro rápido. Essas estrelas de nêutrons se tornam magnetizadas e emitem radiação eletromagnética, frequentemente na frequência das ondas de rádio, tonando-as gigantescos faróis cósmicos. Se um pulsar estiver próximo o bastante e seus pulsos voltados para a Terra, os modernos telescópios podem detectá-los.

No final da década de 1970 e início da de 1980, a mudança no tempo de chegada dos sinais de um pulsar em órbita de outra estrela de nêutrons forneceu um indício indireto para a existência de ondas gravitacionais, o que levou ao Prêmio Nobel de Física em 1993. Então, em 1982, o astrofísico Donald Backer da University of California, Berkeley, propos que os cientistas poderiam usar certos “pulsares de milissegundo” (que giram neste tempo) para uma detecção mais direta, medindo as pequenas diferenças de tempo de chegada à Terra dos pulsos, já que as ondas gravitacionais passantes deslocariam levemente o planeta na direção de alguns pulsares e na oposta de outros.

O “sistema de temporização de pulsares” imaginado por Backer seria como uma teia de aranha galáctica, na qual a Terra repousaria no centro e ficaria conectada a cada pulsar por um fio. Quantos mais fios houvesse, mais facilmente os cientistas poderiam dizer quando a Terra tivesse se movido ligeiramente.

Em particular, Backer pensou que os pulsares poderiam ser usados para detectar as ondas gravitacionais que os cientistas acreditam que estejam sendo contiunamente emitidos por enormes buracos negros do tamanho de galáxias — objetos esses milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que os buracos negros detectados pelo LIGO – que orbitam em torno um do outro no universo distante. Uma vez que esses pares levam anos para completar uma órbita, as ondas gravitacionais emitidas teriam uma frequência extremamente baixa e mostruosamente longa – comprimentos de onda da ordem de anos luz.

O efeito que Backer se propos a medir era muito maior do que aquele detectado pelo LIGO, porém ainda muito pequeno em termos do cotidiano — cerca de uma parte em 10 elevado à décima sexta potência —e os cientistas precisariam de anos de medições de pulsares antes de poderem ter certeza de ter uma verdadeira detecção. Precisaria também de encontrar e rastrear muitos pulsares de milissegundos do que aqueles conhecidos pelos astrônomos na época que Backer propos o experimento. “Pulsares de milissegundo, o LIGO e alguns experimentos quânticos são de longe as experiências físicas mais precisas que se pode fazer”, disse Ransom.

O radiotelescópio Parkes em Nova Gales do Sul, Austrália, que começou a operar em1961.  http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

 

Construindo redes de detecção

Em 2004, o astrofísico Richard Manchester da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) na Australia iniciou um esforço para descobrir e rastrear os tempos dos pulsares no Hemisfério Sul, usando o radiotelescópio Parkes de 64m de diâmetro. Nesse ponto, Ransom, Lommen e Fredrick Jenet, físico da University of Texas em Brownsville, iniciaram discussões que levaram ao que eles chamaram de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves ou NANOGrav. “Nós vimos que havia uma competição internacional”, disse said Ransom. “E foi aí que a coisa ficou mesmo séria”.

A equipe NANOGrav agora usa o telescópio de 100m de Green Bank Telescope na West Virginia e o telescópio de 300m em Arecibo, Puerto Rico — atualmente os dois radiotelescópios mais poderosos — para rastrear pulsares de 54 milissegundos  e procurar por outros mais. Os enormes pratos são necessários para refletir o bastante dos sinais extremamente fracos de radiofrequência dos pulsares até um receptor que captura os sinais — pulsos tão regulares como os do mais preciso relógio na Terra.

Enquanto isso, a equipe australiana rastreou 24 pulsares e, no último verão, publcou na Science uma análise de mais de uma década de dados de seus quatro pulsares mais regulares. Eles não encontraram qualquer indício de ondas gravitacionais, muito embora vários modelos teóricos predissessem que pares de buracos negros supermassivos, emissores de ondas gravitacionais, se formariam tão frequentemente que a equipe de Parkes deveria ter detectado algum. Com base em sua análise, os pesquisadores sugeriram que a comunidade de medição de pulsares poderia ter que esperar alguns anos até que o Sistema de Quilômetro Quadrado (Square Kilometer Array), um sistema de radiotelescópio gigantesco planejado entre a Austrália e a África do Sul, entrasse em operação para ter a chance de uma detecção.

Porém a equipe NANOGrav redarguiu  que ainda há muito que os cientistas ainda não sabem sobre a frequência de formação de pares de buracos negros supermassivos e que a equipe de Parkes os havia descartado apenas com os modelos mais otimísticos. Em um artigo publicado no mês passado em Astrophysical Journal Letters, os membros da NANOGrav apresentam seu argumento de adicionar mais pulsares ao sistema para aumentar a sensibilidade, predizendo uma detecção dentro de uma década se mantido o curso.

As equipes NANOGrav, Parkes e outra equipe européia também concordaram em compartilhar seus dados, formando o International Pulsar Timing Array, ou IPTA, o que deve ajudar os cientistas a melhorar seus conhecimentos da taxa de fusões de buracos negros supermassivos ainda mais.

“Esta é a primeira vez que sistemas de temporização de pulsares foram capazes de fazer astrofísica de verdade”, disse Ransom. “Para nós, é entusiasmante”.

O grupo está preparando uma segunda apresentação de dados para o fim deste ano e isto deve por fim à competição que existia entre eles, disse George Hobbs, astrofísico do CSIRO e atual diretor da equipe Parkes. “De repente o IPTA se tornou a coisa mais importante e é isso que todos queríamos ver”.

Laçamento do foguete Vega VV06 que transporta o  LISA Pathfinder. Crédito: ESA

 

Preenchendo o espectro

Mais ou menos na mesma época em que os sonhos do LIGO e dos sistemas de temporização de pulsares estavam ganhando forma, os pesquisadores começaram a propor um experimento semelhante ao LIGO, mas com o detector no espaço. As vantagens sobre um detector com base no solo são muitas — os “braços” poderiam ter milhões de km de comprimento, em lugar de uns poucos, assim como o ruído de eventos terrestres frequentes, tais como quedas de árvores e ondas que quebram nas praias (ambos têm impacto sobre o LIGO) seriam eliminados – tornando um tal detector sensível a um número bem maior de ondas gravitacionais.

A ideia se materializou em um projeto conjunto NASA-ESA chamado Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA e deveria ter sido lançado nesta década. Porém a NASA abandonou o projeto em 2012, por conta dos custos. A ESA refez o projeto como evolved LISA, ou eLISA, cujos braços terão 1 milhão de km. Embora a data projetada para o lançamento de eLISA seja em 2034, em dezembro passado a ESA lançou a missão  LISA Pathfinder, que testará a tecnologia necessária para eLISA.

A China também está pensando em lançar seu próprio detector ou de fazer uma parceria com a ESA. De qualquer forma o tempo de detecção poderá diminuir, dizem os cienteistas.

Um quarto método de busca para ondas gravitacionais recebeu uma atenção especial em 17 de março de 2014, quando os físicos de Harvard e várias outras instituições anunciaram o uso do telescópio BICEP2 no Polo Sul para detectar a impressão das ondas gravitacionais no fundo cósmico de micro-ondas, aquele brilhareco de luz vindos da formação dos primeiros átomos de hidrogênio depois do Big Bang, o qual é o limite do universo observável.

Muitas das principais teorias do nascimento do universo sugerem que o universo inflou rapidamente logo após o Big Bang, durante um período chamado de “inflação”. Este violento surto de crescimento, que ocorreu quando toda a massa/energia estava em um volume pequeno, deve ter liberado enormes ondas gravitacionais. Uns 380.000 anos depois, essas ondas, agora já esticadas por milhões ou bilhões de anos luz, teria interagido com o fundo cósmico de micro-ondas de uma forma particular e que poderia ser detectada.

Uma previsão fascinante como esta inspirou várias equipes de pesquisas a projetas telescópios de micro-ondas para buscar tal assinatura. O grupo do BICEP2, em conjunto com a equipe do satélite Planck da ESA, eventualmente declararam seus achado inconclusivos , depois que outros apontaram que a poeira na Via Láctea poderia produzir o mesmo sinal que eles estvam interpretando como uma polarização do fundo cósmicod e micro-ondas.

Ainda assim, novos telescópios estão se juntando à busca pelas ondas gravitacionais primevas. Um dos mais poderosos é o Cosmology Large Angular Scale Surveyor, ou CLASS, que está sendo construído no deserto de Atacama no Chile. O CLASS vai efetuar medições em vários comprimentos de onda necessários para distinguir a radiação de fundo dos sinais emitidos pela poeira e outras fontes próximas, e vai cobrir uma larga faixa dos céus para capturar as informações mais completas. A experimento precisa de um sofisticado sistema de detecção, levado até próximo do zero absoluto, no limite da atual tecnologia.

“Uma vez que nós decidimos fazer medições em larga escala, a questão era o que é necessário para fazê-lo e, mesmo que seja difícil, o que precisa ser feito”, disse Charles Bennett, cosmologista da Universidade Johns Hopkins University, que lidera o projeto CLASS. Bennett espera que o CLASS comece a funcionar ainda neste ano.

 

O Telescópio Green Bank  ao por do Sol. Foto de Harry Morton. Cortesia da NRAO/AUI e Harry Morton (NRAO), http://images.nrao.edu/image_use.shtml (cc 3.0)

Financiando o futuro

Além de olhar para os céus, os caçadores de ondas gravitacionais têm que manter um olho em Washington e as recentes mensagens vindas de lá estão confusas. A temporização de pulsares recebeu um grande incentivo em 2015, quando a NSF alocou um fundo US$ 14,5 milhões ao longo de cinco anos.

Ao mesmo tempo, a NSF está querendo se desfazer dos telescópios da NANOGrav. Um comitê de revisão recomendou que seja desativado o telescópio de Green Bank e talvez o de Arecibo, dando prioridade a outras instalações.

Por enquanto, a NSF financiará parcialmente os dois telescópios, enquanto outras fontes, tais como o bilionário projeto russo Yuri Milner’s Breakthrough Listen, procuram por sinais de rádio de civilizações extra-terrestres e ajudam a preencher o vácuo. Porém o futuro desses telescópios é incerto – não porque eles não produzam boa ciência, mas porque simplesmente não há dinheiro suficiente para financiar todos os projetos bons, como explica James Ulvestad, diretor da Divisão de Astronomia da NSF.

A perda de qualquer um desses telescópios vai retardar uma detecção de ondas gravitacionais por anos, ao menos até que a China ponha para funcionar seu prato de 500m no fim da década.

“Neste ponto da história … quando estamos apenas abrindo a era das ondas gravitacionais na física”, reclama Lommen, “é uma vergonha falar em fechar qualquer um dos dois telescópios que fazem uma tremenda falta”.

Ransom acredita que o sucesso do LIGO — e outros — pode revigorar o campo e ajudar a manter os telescópios funcionando. “Eu espero que não seja apenas otimismo”, diz ele. “Nós estamos fazendo astrofísica de verdade e chegando a limites que realmente são significativos e podem mudar o pensamento das pessoas”.

“As ondas gravitacionais estão se tornando relevantes para a astronomia”.


Gabriel Popkin (@gabrielpopkin) é um escritor de ciências independente de Washington, DC. Já publicou em Science News, ScienceNOW, Johns Hopkins Magazine  e outras publicações.

Decifrando as galáxias compactas do universo antigo

EurekAlert

Link para o original: Deciphering compact galaxies in the young universe

NATIONAL INSTITUTES OF NATURAL SCIENCES

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Os pontos vermelhos representam os dados observados; a maior parte deles tem formas alongadas e as galáxias maiores tendem a ter uma elipticidade maior. As regiões em cinza representam as distribuições prováveis segundo cálculos de simulações em computador. Quando duas galáxias estão muito próximas, podem parecer uma única galáxia alongada, como mostram as figuras menores nas laterais.

Imagem cortesia de Ehime University

Um grupo de pesquisadores, empregando o instrumento Suprime-Cam do Telescópio Subaru, descobriu cerca de 80 jovens galáxias que existiram no universo primordial, em torno de 1,2 bilhões de anos após o Big Bang. A equipe, que tem membros da Ehime University, Nagoya University, Tohoku University, Space Telescope Science Institute (STScI) nos EUA e do California Institute of Technology, fizeram então análises detalhadas dos dados imageados dessas galáxias obtidas pela Advanced Camera for Surveys (ACS) do Telescópio Espacial Hubble. Ao menos 54 dessas galáxias têm imagens que permitem resolução espacial nas imagens da ACS. Entre estas, 8 galáxias exibem estruturas com dois componentes e as restantes 46 parecem ter estruturas alongadas. Através de pesquisas subsequentes, empregando uma simulação em computador, o grupo descobriu que as estruturas alongadas podem ter essa aparência se forem duas ou mais galáxias bem próximas entre si.

Estes resultados são um forte indício de que, após 1,2 bilhões de anos após o Big Bang, os aglomerados de galáxias do universo jovem cresceram, para se tornarem grandes galáxias através de fusões, o que, por sua vez, provoca uma ativa formação de estrelas. Esta pesquisa foi realizada coo parte do programa do legado do Telescópio Espacial Hubble, “Cosmic Evolution Survey (COSMOS)”. A poderosa capacidade de pesquisa do Telescópio Subaru forneceu a base de dados essencial para os objetos do estudo sobre o universo primevo.

A Importância do Estudo das Galáxias Primevas

No universo atual, a 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, existem muitas galáxias como a nossa Via Láctea, que contém cerca de 200 bilhões de estrelas em um disco com cem mil anos luz de diâmetro. Entretanto, definiitivamente não havia galáxias como ela pouco depois do Big Bang.

Essas aglomerações pré-galáticas parecem ter se formado no universo cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang. Elas eram nuvens de gás frio, muito menores do que as atuais galáxias gigantes (cem vezes menores), com massas menores (um milhão de vezes menores). As primeiras galáxias se formaram quando as primeiras estrelas nasceram nessas aglomerações de gás. Essas pequenas aglomerações galáticas começaram, então, a se fundir com aglomerações próximas e, eventualmente, formaram as grandes galáxias.

Muito esforço tem sido dispendido nessas buscas profundas para detectar galáxias ativas com formação de estrelas no universo jovem. Como resultado, já se sabe que as galáxias mais antigas ficam a mais de 13 bilhões de anos luz. Nós as vemos em uma época em que o universo tinha somente 800 milhões de anos (ou cerca de 6% de sua idade atual). Entretanto, uma vez que a mioria das galáxias do universo jovem eram bem pequenas, não se conseguiu estudar suas estruturas em detalhes.

A Exploração do Universo Primevo com o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Subaru

Enquanto o grande campo de observação do Telescópio Subaru desempenhou um papel importante em localizar essas jovens galáxias, a alta resolução espacial do Telescópio Espacial Hubble foi necessária para investigar os detalhes de seus formatos e suas estruturas internas. A equipe de pesquisas olhou para um ponto a 12,6 bilhões de anos no passado com uma abordagem por duas vias. O primeiro passo foi usar o Telescópio Subaru para uma busca profunda das galáxias primitivas e prosseguir com a investigação de seus formatos com a Advanced Camera for Surveys (ACS) a borod do Hubble. A ACS revelou que 8 das 54 galáxias tiham estruturas duplas, parecendo com a fusão de duas galáxias¹.

Então, apareceu a dúvida sobre se as outras 46 galáxias observadas eram mesmo galáxias individuais. Aqui, a equipe de pesquisa questionou quantas dessas galáxias exibiam formatos alongados nas imagens do Hubble. Isto porque tais aspectos alongados, junto com uma correlação positiva entre elipticidade² e tamanho, são um forte indício de que duas galáxias são tão próximas entre si que, com a atual resolução máxima da ACS, não se pode distinguir uma coisa de outra.

Para verificar se a ideia de galáxias próximas em um espaço apertado era viável, os pesquisadores usaram as assim chamadas simulações em computador de Monte Carlo. Primeiro, o grupo colocou duas fontes artificiais em posições aleatórias, com váris separações angulares, sobrepondo-as às imagens reais da ACS. Depois, o grupo tentou extrair as imagens com o mesmo método para as verdadeiras observações da ACS e mediu suas elipticidades e tamanhos.

A distribuição simulada bateu muito bem com os resultados observados. Ou seja, a maioria das galáxias vistas como uma fonte individual nas imagens da ACS poderiam ser mesmo duas galáxias em fusão. Entretanto, a distância entre duas galáxias em fusão é tão pequena que nem a alta resolução do Hubble consegue distinguí-las!

Se a ideia for válida para galáxias que parecem ser individuais, é possível presumir que as galáxias com as maiores taxas de atividade tenham menor tamanho. Isso é uma decorrência de que tamanhos menores implicam em uma menor separação entre duas galáxias em fusão. Se for mesmo o caso, tais galáxias estariam passando por uma intensa fase de formação de estrelas causada pela própria fusão.

Por outro lado, algumas galáxias com os menores tamanhos são pares razoavelmente separados, porém o ângulo de visada as faz parecer que são apenas uma, ou são mesmo galáxias formadoras de estrelas isoladas. Estas têm basicamente o mesmo tamanho de galáxias grandes.

A equipe confirmou que a relação observada entre atividade de formação de estrelas e tamanho é consistente com a ideia aventada pela equipe.

Até agora, os formatos e as estruturas das pequenas galáxias foram investigados com a ACS no Hubble. Se a fonte tivesse sido identificada como única pela ACS, ela foi tratada como uma única galáxia e seus parâmetros morfológicos foram avaliados. Esta pesquisa sugere que uma tal galáxia pequena pode consistir de duas (ou, talvez, mais) galáxias tão próximas que não podem ser distinguidas mesmo pela grande resolução angular da ACS.

Olhando para o Futuro pelo Estudo do Passado

As teorias correntes de formação de galáxias prediz que pequenas galáxias no universo jovem evoluíram em grandes galáxias através de fusões sucessivas. A pergunta permanece: qual será o próximo passo nos estudos e observações dobre a formação de galáxias no universo jovem? Esta é uma fronteira que precisa dos futuros “super-telescópios”, tais como o Telescópio de Trinta Metros e o Telescópio Espacial James Webb. Eles permitirão as próximas descobertas no estudo da formação das primeiras galáxias e sua evolução.

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Notas:

1. Um tamanho médio (ou seja, o diâmetro médio do círculo que engloba metade da luz total da galáxia) de galáxias individuais é de cerca de 5,5 mil anos luz. Uma distância média entre duas pequenas galáxias será de 13.000 anos luz.

2. A elipticidade é definida como 1 – b/a, onde a e b representam os raios maior e menor de uma eslipse. No caso de um círculo, a elipticidade será igual a zero, já que a = b. Um formato mais alongado corresponde a uma maior elispticidade.

Berçários de estrelas são ativados por matéria escura

EurekAlert

Link para o original: Dark matter satellites trigger massive birth of stars

Astrônomos usam simulação em computador com base em modelos teóricos para explicar os massivos berçários de estrelas observados em galáxias anãs

UNIVERSITY OF CALIFORNIA – RIVERSIDE

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Uma galáxia anã tipo starburst com um berçário de estrelas. Imagem cortesia da UC RIVERSIDE

RIVERSIDE, Califórnia — Uma das principais predições do modelo corrente de criação de estruturas no universo, conhecido como Lambda Cold Dark Mattermodel, é que as galáxias estão inseridas em halos muito extensos e massivos de matéria escura que são, por sua vez, cercados por vários milhares de sub-halos menores, também feitos de matéria escura.

Em  voltaa de grandes galáxias, tais como a via Láctea, esses sub-halos são grandes o suficiente para conter suficiente gás e poeira cósmica para formar pequenas galáxias próprias e algumas dessas companheiras galáticas, conhecidas como galáxias satélites, podem ser observadas. Essas galáxias satélites podem orbitar por bilhões de anos em torno da galáxia mãe, antes que aconteça uma fusão potencial. As fusões fazem com que a galáxia central adicione grandes quantidades de gás e estrelas, disparando violentos espisódios de formação de novas estrelas, conhecidos como starbursts, devidos ao excesso de gases trazidos pela companheira absorvida. O formato ou morfologia da galáxia mãe tamém pode ser perturbado pela interação gravitacional.

Halos menores formam galáxias anãs que, por sua vez, serão orbitados por sub-halos ainda menores de matéria escura, estes pequenos demais para encerrar gases ou estrelas. Esses satélites escuros são, portanto, invisíveis para nossos telescópios, mas aparecem prontamente nos modelos teóricos nas simulações em computadores. Para provar sua existência, é necessária a observação direta de sua interação com as galáxias mães.

Laura Sales, professora assistente da Universidade da California, Riverside, no Departamento de Física e Astronomia, colaborou com Tjitske Starkenburg e Amina Helmi, ambas do Instituto Astronômico Kapteyn na Holanda, para apresentar uma nova análise de simulações em computador, com base nos modelos teóricos, que estudam a interação de uma galáxia anã com uma satélite escura.

As descobertas são descritas em um artigo recém publicado: Dark influences II: gas and star formation in minor mergers of dwarf galaxies with dark satellites,” na publicação Astronomy & Astrophysics.

As pesquisadoras descobriram que, durante a aproximação máxima de uma satélite escura a uma galáxia anã, ela comprime o gás na anã por ação gravitacional, detonando episódios siginificativos de starbursts. Esses episódios de formação de estrelas pode durar por vários bilhões de anos, dependendo da massa, órbita e concentração da satélite escura.

Este cenário prediz que várias das galáxias anãs que podemos observar hoje em dia deveriam estar formando estrelas em uma taxa maior do que o esperado – ou deveriam estar experimentando um starburst – que é exatamente o que as observações de nossos telescópios encontram.

Além disto, da mesma forma que fusões entre galáxias mais massivas, a interação entre uma galáxia anã e a satélite escura produz perturbações morfológicas na anã, que podem modificar comletamente sua estrutura, de um formato comum de disco para um sistema elíptico/esférico. Este mecanismo também dá uma explicação para a origem de galáxias anãs esferoidais isoladas, um enigma que ficou sem solução por várias décadas.

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Corpos celestes se formam como rachaduras em tinta

EurekAlert

DURHAM, N.C. — Um teórico da Duke afirna que há uma boa razão pela qual os objetos no universo têm uma larga gama de tamanhos, desde as maiores estrelas, aos menores grãos de poeira – e que isso tem a ver com o modo como a tinha racha quando seca.

Em um artigo, publicado na edição de 01 de março de Journal of Applied Physics, Adrian Bejan, o Professor “J.A. Jones” de engenharia mecânica da Universidade Duke, explica como a necessidade de liberar tensões internas moldou o universo tal qual o vemos.

Muito embora fosse grande e espalhado de forma que nem podemos imaginar, o universo primitivo pode ser encarado como um volume finito de partículas em suspensão. E porque todo objeto no universo exerce uma força gravitacional sobre todos os outros objetos no universo, este volume tem uma tensão interna.

Era apenas uma questão de tempo para que as partículas começassem a se juntar para formar objetos maiores. Mas por que elas se juntaram formando objetos com uma tal variedade de tamanhos, em vez de uma maneira uniforme?

“Sabemos, a partir de nossa experiência com as coisas comuns que coisas com tensões internas tendem a se rachar e elas se racham instantaneamente em todos os lugares”, diz Bejan. “O exemplo mais simples é o da tinta que seca em uma parede. Na medida em que seca, ela encolhe, pondo todo o sistema sob tensão. E então, bum! Subitamente, de uma hora para a outra, ela se racha, liberando a tensão. E o padrão para esta liberação é hierárquico, o que significa: poucos pedaços grandes e muitos pequenos”.

Segundo Bejan, este padrão de liberação segue a Lei Constructal, proposta por ele em 1996. A Lei Constructal declara que qualuqer sistema em fluxo, quando permitido se modificar livremente ao longo do tempo, tenderá a ter uma arquitetura de fluxo mais fácil. Para rios, raízes e sistemas vasculares, isto significa uns poucos canais maiores com fluxos massivos, até pequenas ramificações de alívio. Para um universo jovem, com partículas puxando em todas as direções, isto significa que a tensão interna é liberada da forma mais rápida possível.

Com uma série de experiências teóricas e equações simples de física, o artigo de Bejan demonstra que a maneira mais rápida para liberar a tensão era através da formação de corpos em uma hierarquia. Ou seja, ele demonstra que, se todos os corpos se formassem com o mesmo tamanho, a tensão não seria liberada de maneira tão eficaz como quando se formam poucos corpos grandes, junto com vários corpos menores.

Exatamente como as rachaduras na pintura.

“Todo o processo de rachadura volumétrica é hierárquico. Nunca iremos observar uma rachadura uniforme”, afirma Bejan. “Na mecânica celeste, existe uma noção muito antiga de que os corpos coalescem e crescem devido à gravidade, o que, é claro, é correto. Crescimento é uma coisa, porém o crescimento hierárquico é outra que se chama natureza”.

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“The physics origin of the hierarchy of bodies in space.” A. Bejan e R.W. Wagstaff. Journal of Applied Physics, 2016. DOI: 10.1063/1.4941986

Parece ter havido alguma luz, afinal

EurekAlert

Link para o original: LIGO’s twin black holes might have been born inside a single star

HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS

Em 14 de setembro de 2015, o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectou ondas gravitacionais oriundas da colisão e fusão de dois buracos negros com massas de 29 e 36 vezes a massa de nosso Sol. Um evento como esse poderia não ser visível, mas o Telescópio Espacial Fermi detectou um jato de raios gama uma fração de segundo antes do LIGO ter recebido o sinal. Novas pesquisas sugerem que os dois buracos negros poderiam residir dentro de uma única estrela, super-massiva, cuja morte gerou o jato de raios gama.

“Seria o equivalente cósmico de uma mulher grávida com gêmeos em sua barriga”, diz o astrofísico da Harvard, Avi Loeb, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Normalmente, quando uma estrela massiva chega ao fim de sua vida, seu núcleo colapsa em um só buraco negro. Porém, se a estrela estivesse girando muito rapidamente, seu núcleo poderia ter se esticado em uma forma de halteres e se fragmentar em dois aglomerados, cada um deles formando seu próprio buraco negro.

Uma estrela tão massiva como a necessária para tal, normalmente se forma a partir da fusão de duas estrelas menores. E, como as estrelas teriam girado cada vez mais rápido, na medida em que espiralavam uma de encontro à outra, a estrela massiva resultante conservaria em grande parte esse momento anuglar – em outras palavras, giraria muito rápido.

Depois que o par de buracos negros se formou, o envoltório externo da estrela caiu para dentro deles. Para alimentar tanto o evento das ondas gravitacionais, quanto o jato de raios gama, os buracos negros gêmeos devem ter nascido bem próximos, com uma distância inicial igual ao diâmetro da Terra e se fundido em questão de minutos. O buraco negro recém formado passou então a se alimentar da matéria restante em seu entorno, consumindo o material equivalente a um Sol a cada segundo, o que gerou jatos de matéria em seus polos, o que, por sua vez, criou os jatos de raios gama.

O Fermi detectou o jato apenas 0,4 segundos depois do LIGO ter detectado as ondas gravitacionais e ambos vindos da mesma área genérica dos céus. Entretanto, o satélite europeu de raios gama INTEGRAL  não confirmou esse sinal.

“Mesmo que a detecção pelo Fermi seja um alarme falso, eventos futuros no LIGO devem ser monitorados pela correspondente emissão de luz, independente de se eles forem oriundos da fusão de buracos negros, A natureza está sempre nos surpreendendo”, diz Loeb.

Se forem detectados mais jatos de raios gama associados com eventos de ondas gravitacionais, eles serão uma fonte promissora para medir distâncias cósmicas e a expansão do universo. Plotando o brilho remanescente de um jato de raios gama e medindo seu devio para o vermelho, e então comparando com as medições de distância independentes do LIGO, os astrônomos serão capazes de ajustar os limites dos parâmetros cosmológicos. “Para a astrofísica, os buracos negros são muito mais simples do que outros indicadores de distância, tais como supernovas, uma vez que eles são totalmente definidos somente por sua massa e rotação”, explica Loeb.

“Este artigo estabelece uma agenda que, certamente, vai estimular estudos subsequentes, naquele período crucial que se segue a uma descoberta do LIGO, onde o desafio é medir todas as suas implicações. Se a história servir como exemplo, a abordagem de ‘muitas mensagens’ advogado por Loeb, usando tanto as ondas gravitacionais como a radiação eletromagnética, é uma promessa de um enfoque mais profundo da natureza física da notável fonte do LIGO”, comenta Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin, que não participou das pesquisas.

A pesquisa foi aceita para publicação em The Astrophysical Journal Letters  e tem uma versão online aqui.

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Cadê a luz que devia ter aparecido?

EurekAlert

Link para o original: Results of first search for visible light associated with gravitational waves

HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS

Imagem cortesia do CERN


A Teoria da Relatividade Geral de Einstein previa a emissão de ondas gravitacionais por corpos celestiais massivos em movimento pelo espaço-tempo. Durante todo o século passado, todas as tentativas de detecção dessas ondas fracassaram, porém recentemente a colaboração LIGO-Virgo anunciou a primeira detecção de ondas gravitacionais, emitidas por um par de buracos negros que colidiram. Colisões de sistemas binários são famosos por produzirem “fogos-de-artifício” celestiais, de forma que uma equipe de astrônomos, inclusive os de Harvard, foi procurar indícios dessa colisão em radiação eletromagnética. Muito embora nada tenha sido encontrado, este trabalho foi a primeira busca detalhada pela contraparte visível de um evento gerador de ondas gravitacionais. Ela também vai servir como modelo para futuras buscas do follow-up desses eventos.

“Nossa equipe estava aguardando ansiosamente pela primeira detecção de ondas gravitacionais, para que pudéssemos rapidamente apontar nossa Câmera de Energia Escura para o local e procurar pela luz visível associada”, diz Edo Berger do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), o principal investigador da equipe de follow-up. “Esta câmera é um dos instrumentos mais poderosos que há no mundo para este propósito”.

A detecção conjunta de ondas gravitacionais e de luz não é algo fácil, necessitando de telescópios grandes e de amplo campo para rapidamente varrer a área do céu correspondente à fonte de uma onda gravitacional. A equipe usou o imageador de 3 graus quadrados da Dark Energy Camera (DECam) montada no Telescópio Blanco (de 4 metros) no Observatório Interamericano de Cerro Tololo no Chile. O programa de buscas é uma colaboração entre astrônomos de váras instituições nos EUA, a Dark Energy Survey (DES) e membros da Colaboração LIGO.

A equipe rapidamente começou a observar a presumida localização da primeira fonte de ondas gravitacionais descoberta pelo LIGO, um dia após a detecção da onda gravitacional, portanto em 16 de setembro de 2015.

“O planejamento e a execução destas observações se tornou imediatamente nossa maior prioridade. Foi frenético, mas também entusiasmante poder fazer o follow up de uma descoberta tão significativa”, declarou Marcelle Soares-Santos do Fermilab, membra da DES e principal autora do artigo que descreve a busca e os resultados.

A equipe enfrentou um obstáculo significativo, já que a área de busca era enorme: 700 graus quadrados de céu, ou cerca de 2.800 vezes o tamanho de uma Lua cheia. A equipe observou grandes faixas dessa região várias vezes por um período de três semanas, mas não detectou qualquer jato incomum de luz visível. Esta informação servirá como parâmetro para por um limite na luminosidade que pode servir como referencial para futuras tentativas.

“Esta primeira tentativa para detectar luz visível associada a ondas gravitacionais foi muito desafiadora”, declarou Berger, “mas ela pavimenta o caminho para um novo campo da astrofísica”.

A equipe planeja continuar a buscar por luz visível nos futuros eventos de detecção de ondas gravitacionais.

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A “onda” das ondas gravitacionais

Acima: Amplitude estimada do efeito da onda gravitacional vinda de GW150914. Mostra todo o comprimento de onda das ondas de choque, sem filtros. A imagem inserida mostra a relatividade numérica dos modelos dos horizontes de eventos dos buracos negros, na medida em que estes coalesceram. Abaixo: a separação entre os buracos negros coalescentes medida em unidades de raio de Schwarzschild (RS=2GM/c2) e a velocidade relativa calculada pelo parâmetro pós-newtoniano v/c=(GMπf/c3)1/3, onda f é a frequência da onda gravitacional calculada com relatividade numérica e M é a massa total.
Data 11 de fevereiro de 2016
Fonte: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102
Autor Abbott, B. P. et al.

Retirado da WikiMedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Estimated_gravitational-wave_strain_amplitude_from_GW150914.png

Bem… A estas horas você, leitor, já deve estar meio saturado de tanta notícia sobre a detecção (afinal!) das ondas gravitacionais – previstas na Relatividade Geral de Einstein, mas, até agora, nunca detectadas e por um motivo óbvio: são fraquíssimas!

Você deve ter visto milhões de inforgráficos, animações, ilustrações, inclusive aquelas da analogia de um peso (normalmente uma bola de boliche sobre uma cama elástica) e as bolinhas de gude “orbitando” pelas bordas do buraco. Você leu traduções apressadas das conferências dadas pelo LIGO e Virgo – inclusive aqui… eu achei melhor perder o “furo” e esperar um press-release de uma fonte confiável; no caso o da National Science Foundation, via EurekAlert – porque, desde o fiasco dos “neutrinos mais rápidos que a luz” (que, no fim, era apenas um cabo defeituoso…), eu fiquei muito cauteloso; na verdade, a descoberta já estava correndo as redes sociais desde novembro do ano passado.

Outra coisa que você já deve ter visto, são notícias meio entusiasmadas demais… Gente falando de “uma nova janela para a astronomia”, “viagens espaciais usando dobras espaço-temporais” e sabe-se lá quantas teorias de conspiração que dizem que isso tudo é apenas uma farsa para encobrir tal ou qual plano sinistro de algum governo, da “big-pharma”, do Banco Mundial em conluio com o FMI, and you-name-it

Hora de baixar a bola e colocar as coisas na devida proporção!

Os Observatórios LIGO começaram a ser construídos em 1992 e entraram em operação de 2002 até 2010, quando passaram por uma reforma que durou cinco anos e custou 620 milhões de dólares para aumentar exponencialmente sua sensibilidade, voltando a operar em 18 de setembro de 2015. Em apenas dois meses, bingo!

Bom… Ou colisões entre buracos negros com massas entre 20 e 50 vezes a do Sol são muito mais comuns do que se pensa (esta foi a primeira vez que o fenômeno foi observado e, mesmo assim, indiretamente… “em algum lugar do hemisfério (celeste) Sul”), ou foi uma sorte dos diabos!… Como diz o press-release da NSF: “Durante a fração de segundo final, os buracos negros colidem a cerca de metade da velocidade da luz e acabam formando um único buraco negro mais massivo, convertendo parte da massa combinada dos buracos negros em energia, conforme a famosa fórmula de Einstein E=mc2. Essa energia é emitida como um forte jato de ondas gravitacionais. E foram essas ondas gravitacionais que o LIGO observou.” (o grifo é meu).

Sem querer ser chato (mentira!… é exatamente o que eu quero!) o Hemisfério Sul da Terra já não é mais tão pobre em observatórios como era no século XX. Os australianos são os “bambas” da rádioastronomia e o ESO no Atacama tem feito descobertas que vêm revolucionando o que se pensava que se sabia de astronomia. E esse canibalismo de buracos negros ainda não foi detectado?…

Se esse cataclismo cósmico foi capaz de gerar ondas gravitacionais perceptíveis aqui na Terra, certamente houve uma massiva emissão de raios eletromagnéticos ao longo de todo o espectro, desde ondas longas, até raios gama. Claro, com a distância (calculada em 6,5 bilhões de anos-luz) até os raios gama devem chegar em frequências bem mais baixas, mas eu continuo cabreiro com a ausência de confirmação. Atualizando em 17/02/2016: Cadê a luz que devia ter aparecido?

A gravidade é uma coisinha chata e difícil… Eu, na minha condição de leigo metido a besta, tenho certeza que o que chamamos de “gravidade” é um “efeito emergente” do Campo de Higgs, mas os físicos de verdade sempre me chamam a atenção para o problema de escala. Não temos conhecimentos suficientes para fazer tal afirmação (embora me pareça óbvio que o Campo de Higgs siginfique: “o espaço-tempo resiste ao movimento”, tanto que até um fóton – sem massa – tem uma velocidade máxima, “c” e o hipotético gravitron também). Mas, tomando o valor da interação eletromagnética como referência (valor = 1), a nuclear forte tem valor 60 (entre quarks), a nuclear fraca tem valor 10-4 e a gravitacional é estimada em 10-41. Ou seja: um gravitron tem a força de 0,000000000000000000000000000000000000000001 fóton…

Outra previsão da Relatividade Geral, ainda não confirmada experimentalmente, é o “arrasto do referencial”, ou, em termos leigos, o fato de que nada no universo está parado, portanto qualquer referencial inercial também se move com relação a algo mais. Dito de outra forma, o espaço-tempo em torno da Terra não é só deformado pela massa da Terra, mas também por seu movimento de rotação. Lançaram já duas sondas espaciais para checar isso (Gravity Probe A e B), mas a gravidade é algo tão fraquinho que todos os indícios de arrasto de referencial foram inconclusivos, por conta de interferências externas, inclusive e principalmente a flatulência de nosso Sol que vive ejetando massa coronal.

Um novo projeto de detecção de ondas gravitacionais está em andamento, o eLISA da ESA. Um conjunto de três satélites, dispostos em triângulo equilátero com 1 milhão de km de lado, em órbita heliocêntrica, fazendo as vezes dos lasers em “L” dos LIGO (que também devem ganhar o reforço de um terceiro observatório LIGO na Índia). Por enquanto, a ESA lançou um precursor, o LISA Pathfinder, para estudar o problema de comunicação entre os satélites eLISA e a antena em Terra.

O simples fato de que fomos capazes de detectar uma pequena perturbação no espaço-tempo, confirmando algo já sobejamente confirmado: a Relatividade Geral (se você usa GPS, fique sabendo que com a mecânica newtoniana você não chegaria até a esquina, mesmo que morasse nela), medindo uma flutuação menor do que o diâmetro de um próton, é, por si só, maravilhoso.

Mas começar a tirar ilações sobre a viabilidade da Propulsão Alcubierre, só com um “bip”, é demais para meu gosto…

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Formação de planetas em sistemas estelares binários

EurekAlert

Link para o original: Planet formation around binary star

O ALMA revela o potencial de formação de planetas de um disco protoplanetário

NATIONAL RADIO ASTRONOMY OBSERVATORY

IMAGE

Concepção artísitica do sistema estelar binário HD 142527 baseado nos dados do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). A imagem mostra um distinto arco de poeira (vermelho) inserido no disco protoplanetário. No arco vermelho, não há gases, o que sugere que o monóxido de carbono “congelou”, formando uma camada de geada sobre os grãos de poeira nessa região. Os astrônomos especulam que esta geada fornece um impulso inicial para a formação de planetas. Os dois pontos no centro representam as duas estrelas do sistema.
Crédito da imagem: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Através do ALMA, os astrônomos tiveram uma nova visão detalhada dos estágios iniciais da formação de planetas em torno de uma estrela binária. Inserida na periferia do disco protoplanetário da estrela dupla, os astrônomos encontraram uma surpreendente região em forma de crescente composta por poeira e conspicuamente sem gases. Este resultado, apresentado na reunião da AAAS em Washington, D.C., permite novas abordagens sobre o potencial de formação de planetas em um sistema estelar binário.

Os astrônomos têm grandes dificuldades para compreender como se formam planetas em sistemas estelares binários. Os primeiros modelos sugeriam que o cabo-de-guerra entre dois corpos estelares colocaria planetas jovens em órbitas excêntricas, possivelmente ejetando-os do sistema ou os enviando em rota de colisão com as estrelas. As observações, entretanto, mostram que planetas realmente se formam e conseguem manter órbitas surpreendentemente estáveis em torno de estrelas duplas.

Para compreender melhor como tais sistemas se formam e evoluem, os astrônomos se valeram do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para fazer uma nova e detalhada observação do disco protoplanetário em torno do sistema HD 142527, um sistema binário a cerca de 450 anos-luz da Terra em um aglomerado estelar jovem, conhecido como Associação Escorpião-Centauro.

O sistema HD 142527 consiste de uma estrela principal com um pouco mais que o dobro da massa do Sol e uma pequena companheira com apenas cerca de um terço da massa do Sol. Elas estão separadas mais ou menos pela distância entre o Sol e Saturno. Estudos anteriores desse sistema com o  ALMA revelaram detalhes surpreendentes acerca das estruturas de seus discos interno e externo..

“Há muito tempo se sabe que este sistema binário tem uma corona de formação de planetas, de gás e poeira”, diz Andrea Isella, astrônomo da Rice University em Houston, Texas. “As novas imagens do ALMA revelam detalhes até agora não vistos acerca dos processos físicos que regulam a formação de planetas em torno deste e provavelmente vários outros sistemas binários”.

Planetas se formam a partir de extensos discos de poeira e gás que circundam estrelas jovens. Pequenos grãos de poeira e bolsões de gás eventualmente são arrebanhados pela gravidade, formando aglomerações cada vez maiores que, eventualmente, se tornarão asteróides e planetas. Entretanto, os detalhes desse processo ainda não são bem compreendidos. Os astrônomos, estudando uma grande série de discos protoplanetários com o ALMA, esperam compreender melhor as situações que criam as condições para a formação de planetas pelo universo afora.

As novas imagens em alta resolução obtidas pelo ALMA do HD 142527 mostram um largo anel elíptico em torno da estrela dupla. O disco começa incrivelmente longe da estrela central – cerca de 50 vezes a distãncia da Terra ao Sol. a maior parte do disco é composta por gases, inclusive duas formas de monóxido de carbono (13CO e C18O), mas existe uma notável ausência de gases dentro de um enorme arco de poeira que se estende por cerca de um terço do disco em torno do sistema estelar.

Esta nuvem de poeira em forma de crescente pode ser resultante de forças gravitacionais peculiares a estrelas binárias e pode ser também a chave para a formação de planetas, especula Isella. A ausência de gases livres é provavelmente resultante de seu congelamento, formando uma fina camada de gelo nos grãos de poeira.

“A temperatura é tão baixa que os gases congelam e aderem aos grãos”, explica Isella. “Acresita-se que este processo aumente a capacidade dos grãos de poeira grudarem uns nos outros, o que faz disso um forte catalizador para a formação de planetesimais e, no fim, de planetas”.

“Estamos estudando discos protoplanetários há pelo menos 20 anos”, prossegue Isella. “Existem algo entre algumas centenas e alguns milhares deles que podemos examinar novamente com o ALMA para descobrir novos e surpreendentes detalhes. Esta é a beleza do ALMA. Cada vez que se obtém novos dados, é como abrir um presente. Ninguém sabe o que vai encontrar”.

O HD 142527 será o objeto de um artigo a ser publicado que tem como autor principal o postdoctoral fellow da Rice, Yann Boehler, que trabalha com o grupo de Isella.

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100 anos após a predição de Einstein, afinal detectaram ondas gravitacionais

EurekAlert

Link para o original: Gravitational waves detected 100 years after Einstein’s prediction

LIGO abre uma nova janela para o universo com a observação de ondas gravitacionais vindas da colisão de dois buracos negros

NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Pela primeira vez os cientistas conseguiram observar as ondulações na tessitura do espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, vindas de um evento cataclísmico no universo distante. Isto confirma uma predição importante da Teoria Geral da Relatividade, feita por Albert Einstein em 1915, e abre uma nova janela sem precedentes para o cosmos.

As ondas gravitacionais portam informações acerca de suas origens dramáticas e sobre a natureza da gravidade que não podem ser obtidas de outra maneira. Os físicos concluíram que as ondas gravitacionais detectadas foram produzidas na fração de segundo final da fusão de dois buracos negros que resultaram em um só buraco negro giratório mais massivo. Uma tal colisão de dois buracos negros já tinha sido prevista, mas jamais tinha sido observada.

As ondas gravitacionais foram detectads em 14 de setembro de 2015 às 09:15 (horá UTC) por ambos os detectores gêmeos do Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington. Os observatórios LIGO são financiados pela National Science Foundation (NSF), e foram projetados, construídos e operados pelos California Institute of Technology (Caltech) e Massachusetts Institute of Technology (MIT). A descoberta, aceita para publicação por Physical Review Letters, foi feita pela LIGO Scientific Collaboration (que inclui a GEO Collaboration e o Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e a Virgo Collaboration com dados colhidos pelos detectores LIGO.

Com base nos sinais observados, os cientistas do LIGO estimam que os buracos negros que criaram este evento ttinham massas entre 29 a 36 massas solares e que o evento aconteceu há 1,3 bilhões de anos. Cerca de três massas solares foram convertidas em ondas gravitacionais em uma fração de segundo – com um pico de emissão de cerca de 50 vezes todo o universo visível. Pelo tempo de chegada dos sinais – o detector em Livingston regsitrou o evento 7 milissegundos antes do detector em Hanford – os cientistas podem afirmar que a fonte está localizada no Hemisfério Sul.

De acordo com a Relatiividade Geral, um par de buracos negros que orbitem um em torno do outro, perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo com que eles gradualmente se aproximem, ao longo de bilhões de anos e muito mais rápido nos minutos finais. Durante a fração de segundo final, os buracos negros colidem a cerca de metade da velocidade da luz e acabam formando um único buraco negro mais massivo, convertendo parte da massa combinada dos buracos negros em energia, conforme a famosa fórmula de Einstein E=mc2. Essa energia é emitida como um forte jato de ondas gravitacionais. E foram essas ondas gravitacionais que o LIGO observou.

A existência de ondas gravitacionais foi inicialmente demonstrada nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor, Jr., e colegas. Em 1974, Taylor e Russell Hulse descobriram um sistema binário composto por um pulsar orbitando uma estrela de nêutrons. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram em 1982 que a órbita do pulsar estava lentamente ficando mais apertada por causa da energia emitida na forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e por demonstrar que isto tornaria possivel medir estas ondas gravitacionais, Hulse e Taylor ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1993.

A nova descoberta do LIGO é a primeira observação das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição das pequeninas perturbações que as ondas causam no espaço-tempo ao passarem pela Terra.

“Nossa  observação de ondas gravitacionais atinge uma ambiciosa meta estabelecida há cinco anos de observar diretamente esse fenômeno elusivo e compreender melhor o universo, e, adequadamente, complementar o legado de Einstein no centésimo aniversário de sua Teoria da Relatividade Geral”, declarou David H. Reitze, do Caltech, diretor executivo do Laboratório LIGO.

A descoberta foi tornada possível pelo aumento das capacidades do Advanced LIGO, um melhoramento importante na sensibilidade dos instrumentos, em comparação com a primeira geração dos detectores LIGO, o que permitiu um aumento significativo do volume de universo sondado – e a descoberta das ondas gravitacionais durante seu primeiro turno de observação. A NSF é a principal financiadora do LIGO, auxiliada por organizações como, na Alemanha, a Max Planck Society, no Reino Unido, Science and Technology Facilities Council, STFC e na Australia, Australian Research Council.

Várias das tecologias chave que tornaram o Advanced LIGO muito mais sensível foram desenvolvidas e testadas pela Colaboração Angl-Germânica GEO. Recursos de computação significativos tiveram a contribuição do AEI Hannover Atlas Cluster, do LIGO Laboratory, Syracuse University e da University of Wisconsin-Milwaukee. Várias universidades projetaram, construíram e testaram peças chave para o Advanced LIGO: A Australian National University, a University of Adelaide, a University of Florida, Stanford University, Columbia University of the City of New York ae Louisiana State University.

“Em 1992, quando o financiamento inicial para o LIGO foi aprovado, foi o maior investimento até então fetio pela NSF”, lembra France Córdova, diretor da NSF. “Foi um grande risco. Mas a NSF é a agência que toma esse tipo de risco. Nós apoiamos a ciência e a engenharia fundamentais em um ponto do caminho cujo destino é totalmente incerto. Nós financiamos os abridores de trilhas. É por isso que os EUA continuam sendo um líder global no avanço do conhecimento”.

A pesquisa LIGO é realizada pela LIGO Scientific Collaboration (LSC), um grupo de mais de 1000 cientistas de universidades de todos os EUA e maisoutros 14 países. Mais de 90 universidades e institutos de pesquisas na LSC desenvolvem tecnologias de detectores e analisam dados; aproximadamente 250 estudantes são colaboradores ativos da LSC. A rede de detectores da LSC inclui os interferômetros LIGO e o detector GEO600. A equipe GEO inclui cientistas do Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universitat Hannover, juntamente com parceiros da University of Glasgow, Cardiff University, University of Birmingham, outras universidades no Reino Unido e a Universidade das Ilhas Baleares na Espanha.

“Esta detecção é o iníicio de uma nova era: o campo de astronomia de ondas gravitacionais é agora uma realidade”, declara Gabriela Gonzalez, porta-voz da LSC e professora de física e astronomia na Louisiana State University.

O LIGO foi proposto incialmente como um meio para detectar ondas gravitacionais na década de 1980 por Rainer Weiss, professor emérito de física do MIT; Kip Thorne, Professor Emérito “Richard P. Feynman” de Física Teórica do Caltech, e Ronald Drever, professor emérito de física, também do Caltech.

“A descrição desta observaçãoé lindamente exposta na Teoria da Relatividade Geral de Einstein, formulada há 100 anos e compreende o primeiro experimento da teoria em gravidade forte. Teria sido maravilhoso se pudéssemos ver a cara que Einstein faria, se houvesse um meio de contar para ele”, diz  Weiss.

“Com esta descoberta, nós, humanos, estamos embarcando em uma maravilhosa nova busca: a busca pelo lado enrugado do universo – objetos e fenômenos feitos de espaço-tempo enrugado. Buracos negros em colisão e ondas gravitacionais são os primeiros belos exemplos disto”, diz Thorne.

A pesquisa Virgo é realizada pela Colaboração Virgo, que consiste em mais de 250 físicos e engenheiros que pertencem a 19 diferentes grupos de pesquisa europeus: seis do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França; oito do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália; dois na Holanda no Nikhef; o Wigner RCP na Hungria; o grupo POLGRAW na Polônia; e o European Gravitational Observatory (EGO), o laboratório onde fica o detector Virgo próximo de Pisa, Itália.

Fulvio Ricci, porta-voz do Virgo,  observa que: “Isto é um marco significativo para a física, mas, mais importante, é apenas o começo de muitas e entusiasmantes descobertas astrofísicas que vão vir de LIGO e Virgo.”

Bruce Allen, diretor gerente do Max Planck Institute for Gravitational Physics acrescenta: “Einstein pensava que as ondas gravitacionais eram fracas demais para serem detectadas e não acreditava em buracos negros. Mas eu penso que ele não se importaria de terem provado que ele estava errado!”

“Os detectores do Advanced LIGO são um tour de force da ciência e da tecnologia, tornados possíveis por uma equipe internacional de técnicos, engenheiros e cientistas realmente notáveis”, diz David Shoemaker do MIT, líder do projeto Advanced LIGO. “Nós nos orgulhamos de ter completado este projeto da NSF dentro do prazo e do orçamento”.

Em cada um dos observatórios, o interferômetro em forma de L com 4 km usa dois feixes de laser que vão e voltam pelos braços (tubos de 1,20m mantidos em vácuo quase perfeito). Os feixes servem para moniyorar a distância entre espelhos precisamente posicionados nas extremidades dos braços. De acordo com Einstein, a distância entre os espelhos sofreria uma mudança infinitesimal quando uma onda gravitacional passasse pelo detector. Uma mudança no comprimento dos braços menor do que um décimo-milionésimo do diâmetro de um próton pode ser detectada.

“Para tornar esse fantástico marco possível, foi necessária uma colaboração global de cientistas – tecnologia de laser e suspensão desenvolvida para nosso detector GEO600 foi usada para ajudar a tornar o Advanced LIGO o detector de ondas gravitacionais mais sofisticado jamais criado”, diz Sheila Rowan, professora de física e astronomia na University of Glasgow.

Para detectar a direção do evento causador das ondas gravitacionais, são necessários observatórios bem distantes entre si, assim como para verificar que os sinais vêm mesmo do espaço e não de outro fenômeno local.

Para conseguirt isto, o laboratório LIGO trabalha em parceria com cientistas na ìndia no Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, o Raja Ramanna Centre for Advanced Technology e o Institute for Plasma para estabelecer um terceiro detector Advanced LIGO no subcontinente indiano. ainda esperando aprovação do governo indiano, ele pode se tornar operacional no início da próxima década. O detector adiconal vai uamentar muti a capacidade da rede gloal de detectores para localizar fontes de ondas gravitacionais.

“Esperamos que esta primeira observação aceler a construção de uma rede global de detectores para determinar com precisão a localização das fontes em uma era de astronomia multi-mensageiros”, diz David McClelland, professor de física e diretor do Centre for Gravitational Physics da Australian National University.

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Imagens, vídeo e áudio (em inglês): https://mediaassets.caltech.edu/gwave

Histórico: https://youtu.be/MaAv2IVzqhM

Notícia: https://www.youtube.com/watch?v=wrqbfT8qcBc

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