Parece ter havido alguma luz, afinal

Publicado 24 de fev de 2016
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EurekAlert

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

HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS

Concepção artística da colisão de buracos negros, observada pelo LIGO em 14/9/15. O Telescópio Espacial Fermi detectou um jato de raois gama 0,4 segundos depois. As novas pesquisas sugerem que ambos os buracos negros poderiam residir dentro de uma mesma estrela muito mais massiva.
Crédito da ilustração: Swinburne Astronomy Productions

Cambridge, MA –

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

Publicado 11 de fev de 2016
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Categorias Astrofísica, Astronomia, Exploração do Espaço, Física

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

IMAGE

Foto do detector LIGO detector em Hanaford, Washington. A pesquisa LIGO é parte da LIGO Scientific Collaboration, um grupo de mais de 1000 cientistas de universidades de todos os EUA e outros 14 países.

CRÉDITO: LIGO Laboratory

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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Poderosos jatos expelem material de uma galáxia em formação

Publicado 5 de set de 2013
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Categorias Astrofísica, Astronomia


National Radio Astronomy Observatory

Poderosos jatos expelem material de uma galáxia

Este processo limita os crescimento do buraco negro no centro e a taxa de formação de estrelas

Astrônomos, usando uma rede mundial de rádio telescópios, descobriram um forte indício de que um poderoso jato de material, acelerado até próximo da velocidade da luz pelo buraco negro central de uma galáxia, está expelindo massivas quantidades de gás para fora da galáxia. Segundo eles, este processo está limitando o crescimento do buraco negro e a taxa de formação de estrelas na galáxia, sendo assim uma peça chave para a compreensão do desenvolvimento das galáxias.

4C12.50
Imagem de Radio Telescópio da galáxia 4C12.50, a uns 1,5 bilhões de anos-luz da Terra. A parte em destaque mostra em detalhe a posição da extremidade do jato super rápido de partículas, onde uma massiva nuvem de gás (em amarelo-alaranjado) está sendo empurrada pelo jato.
Crédito: Morganti et al., NRAO/AUI/NSF

Os astrônomos vêm teorizando que muitas galáxias deveriam ser mais massivas e ter mais estrelas do que as na verdade existentes. Os cientistas propuseram que dois principais mecanismos poderiam frear ou interromper os processos de aumento da massa e de formação de estrelas – violentos ventos estelares, oriundos de bursts de formação de estrelas e as perdas decorrentes das jatos alimentados pelo buraco negro supermassivo central da galáxia em formação.

“Com as imagens em grande detalhe obtidas por uma combinação intercontinental de radio telescópios, pudemos observar massivas bolhas de gás frio sendo empurradas para fora do centro galático pelos jatos alimentados pelo buraco negro”, diz Raffaella Morganti, do Instituto Holandês para Radio Astronomia e da Universidade de Groningen.

Os cientistas estudaram uma galáxia chamada 4C12.50, a uns 1,5 bilhões de anos-luz da Terra. Eles escolheram essa galáxia porque ela está em um estágio onde o “motor” do buraco negro que produz os jatos, acaba de ser ‘ligado”. Na medida em que o buraco negro, uma concentração de massa tão densa que nem a luz consegue escapar, puxa material para dentro de si, o material forma um disco giratório em torno do buraco negro. Processos que ocorrem nesse disco, sugam a tremenda energia gravitacional do buraco negro e a usam para expulsar material pelos polos do disco.

Nas extremidades de ambos os jatos, os pesquisadores encontraram bolhas de gás de hidrogênio se movendo para fora da galáxia a 1.000 km por segundo. Uma das nuvens tem mais de 16.000 vezes a massa de nosso Sol, enquanto a outra contém 140.000 vezes a massa solar. A nuvem maior, segundo os cientistas, tem mede aproximadamente 160 por 190 anos-luz.

“Este é o indício mais definitivo até hoje de uma interação entre o jato acelerado de uma galáxia assim e uma densa nuvem de gás interestelar”, diz Morganti. “Acreditamos estar observando em ação o processo pelo qual um motor ativo central pode retirar o gás – a matéria prima para a formação de estrelas – de uma galáxia jovem”, acrescenta ela.

Os cientistas também afirmam que suas observações indicam que os jatos expelidos pelo núcleo da galáxia podem tensionar e deformar as nuvens de gás interestelar de forma que o efeito de “empurrão” se expande além da pequena amplitude dos próprios jatos. Além disto, eles relatam que, no estágio de desenvolvimento da 4C12.50, os jatos podem “ligar” e “desligar”, de forma a repetir periodicamente o processo de expulsão de gases da galáxia.

Em julho, outra equipe de cientistas, usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), anunciou ter encontrado o gás sendo soprado para fora de uma galáxia mais próxima – a NGC 253 – por um intenso burst de formação de estrelas.

“Acredita-se que ambos os processos possam estar atuando, frequentemente de modo simultâneo, nas galáxias jovens, a fim de regular o crescimento de seu buraco negro central, assim como a taxa na qual elas podem criar novas estrelas”, declarou Morganti.

Morganti e sua equipe usaram radio telescópios na Europa e nos Estados Unidos, combinando seus sinais para formar um gigantesco telescópio intercontinental. Nos Estados Unidos esses incluíram o Very Long Baseline Array (VLBA) da Fundação Nacional de Ciências (NSF), um sistema continental de radio telescópios desde o Hawaii, passando pelos EUA continentais e chegando a St. Croix nas Ilhas Virgens, e mais uma antena do Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) no Novo México. Os radio telescópios europeus empregados foram os de  Effelsberg, Alemanha; Westerbork, na Holanda; e em Onsala, Suécia. O extremo poder de resolução – ou seja, a capacidade de observar pequenos detalhes – de um sistema tão abrangente, foi essencial para localizar precisamente a posição das nuvens de gás afetadas pelos jatos da galáxia.

Morganti trabalhou em conjunto com Judit Fogasy da Universidade Eotvos Lorand em Budapest, Hungria; Zsolt Paragi do Instituto Conjunto de Interferometria de Linha de Base Muito Longa da Europa; Tom Oosterloo do Instituto Holandês para Radio Astronomia e da Universidade de Groningen; e Monica Orienti do Instituto Nacional de Astrofísica da Itália – Instituto de Radio Astronomia. Suas descobertas serão publicadas na edição de 6 de setembro da Science.

O National Radio Astronomy Observatory é uma instalação da National Science Foundation, operado em cooperativa pela Associated Universities, Inc.

 

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Estrelas gigantes não colidem…

Publicado 11 de jul de 2013
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Faculty of Physics University of Warsaw

Monstros estelares não colidem – portanto, nada de catástrofes espetaculares

 IMAGEM: Esta é a Nebulosa da Tarântula (30 Doradus) na Grande Nuvem de Magalhães, em imagem do Telescópio Espacial Hubble. As super-estrelas, com massas de 200 a 300 vezes a do Sol foram descobertas aqui.

Clique aqui para a imagem ampliada e créditos.

Seria de se esperar que as colisões entre os remanescentes de estrelas monstruosas, com massas na faixa de 200 a 300 vezes a de nosso Sol, estivessem entre os eventos mais espetaculares de nosso universo. Talvez sejam, mas infelizmente é muito provável que jamais descubramos. Os astrofísicos do Observatório Astronômico da Faculdade de física da Universidade de Varsóvia descobriram que a primeira dessas colisões só vai acontecer daqui a alguns bilhões de anos.

Por muito tempo, os astrônomos acreditaram que as maiores estrelas do universo não passavam de 150 massas solares. No entanto, há três anos descobriram aglomerados estelares nas Nuvens de Magalhães que abrigavam estrelas “impossíveis” – monstros tremendos com massas entre 200 e 300 vezes a do nosso Sol.  A descoberta levantou um grande interesse entre os astrofísicos, particularmente aqueles envolvidos na busca centenária por ondas gravitacionais. Se esses monstros estelares formassem sistemas binários próximos, as colisões entre seus remanescentes poderiam ocorrer. As ondas gravitacionais resultantes de tal evento seriam poderosas o suficiente para que até nossos atuais detectores os pudessem sentir –  e a distâncias bem maiores do que os típicos buracos negros estelares. “Entretanto não podemos contar com a detecção de uma tal colisão espetacular”, lamenta o Dr. Krzysztof Belczyński do Observatório Astronômico da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

A equipe do Dr. Belczyński discutiu os últimos resultados de sua pesquisa com os participantes da 10ª Conferência Edoardo Amaldi sobre Ondas Gravitacionais, que está acontecendo em Varsóvia em conjunto com a 20ª Conferência Internacional sobre Relatividade Geral e Gravitação (GR20/Amaldi10).

Estrelas com grandes massas podem terminar suas vidas de duas maneiras: seu material pode ser explodido espaço a fora, ou elas podem colapsar sob sua própria gravidade em um buraco negro. Há uns poucos meses, os astrofísicos liderados pelo Dr Norhasliza Yusof  da Universidade de Kuala Lumpur demonstraram, usando modelos de computador, que algumas estrelas super-massivas podem formar buracos negros. Isto significa que o universo pode, realmente, conter sistemas binários de estrelas super-massivas que, mais tarde, podem evoluir para sistemas de dois buracos negros com massas muito maiores do que aquelas comuns aos buracos negros.

Os objetos que orbitam em sistemas binários próximos, compostos de estrelas de nêutrons ou buracos negros comuns, perdem energia com o passar do tempo, o que leva a órbitas cada vez mais próximas e, ao final, a uma colisão entre eles. Uma tal colisão pode gerar um efeito astronômico observável, na forma de um jorro de raios gama, e a explosão deve ser acompanhada pela emissão de ondas gravitacionais. Entretanto, até agora não conseguimos detectar essas ondas. Os detectores atuais só conseguem “ver” a colisão de buracos negros típicos no universo local. A colisão entre buracos negros gerados por estrelas super-massivas seria algo totalmente diferente. As ondas gravitacionais de tais colisões seriam fortes o bastante para serem detectadas em um futuro próximo.

Só que não…

Os componentes dos grandes sistemas estelares binários comuns, com massas de entre 50 a 100 massas solares, se formam a distâncias de, pelo menos, centenas, até milhares de raios solares. Tais objetos não podem nascer muito próximos um do outro porque a densidade resultante da matéria colapsaria em um único corpo estelar e o sistema binário simplesmente não seria criado. Sendo assim, para que um sistema binário existente colida, seus componentes têm que,de alguma forma, perder energia orbital. Isto acontece devido à rápida evolução de um dos objetos que, a partir de um certo ponto, começa a se expandir rapidamente. O segundo componente do sistema entra, então, na atmosfera de seu companheiro e – como resultado da interação – rapidamente perde energia. Por consequência, as órbitas se compactam no que é conhecido como um evento de envelope comum.

“Em um sistema estelar binário super-massivo, a situação é diferente”, explica o Dr. Belczyński. “Sabemos que os componentes de um tal sistema têm que se formar a uma distância relativamente grande um do outro. Também sabemos que estrelas super-massivas não se expandem, de forma que não pode acontecer uma fase de envelope comum. Isso significa que não existe um mecanismo físico que faça com que as órbitas se estreitem!”

Nesta situação, o único processo que permite uma perda gradual de energia pelos remanescentes de estrelas super-massivas em um sistema binário é a emissão de ondas gravitacionais.Porém as ondas gravitacionais emitidas por um desses sistemas de estrelas ou buracos negros bem distantes são muito fracas e a perda de energia é lenta.

“Vai demorar muitas dezenas de bilhões de anos, talvez centenas de bilhões de anos, para que os buracos negros colidam. E isto é muito mais tempo do que toda a história do universo, desde o Big Bang, de forma que não há a menor chance de detectarmos as ondas gravitacionais de uma colisão dessas no cosmos. A menos que…” e o Dr. Daniel Holz da Universidade de Chicago deixa em suspenso.

Exatamente: a menos que os modelos atuais de evolução estelar e de formação de sistemas binários em nuvens de poeira interestelar estejam errados. Só assim a observação de uma tal catástrofe espetacular no espaço se tornaria um desastre espetacular para as teorias astrofísicas contemporâneas.

 

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O nascimento de um Buraco Negro

Publicado 3 de maio de 2013
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(Traduzido de: Birth of a Black Hole)

Texto original de Marcus Woo

Uma imagem gerada por computação gráfica das distorções da luz criadas por um buraco negro. Para mais informações: HTTP://WWW2.IAP.FR/USERS/RIAZUELO/BH/APOD.PHP
Crédito: Alain Riazuelo, IAP/UPMC/CNRS

Um novo tipo de clarão cósmico pode revelar algo nunca antes visto: o nascimento de um buraco negro.

Quando uma estrela massiva exaure seu combustível, ela colapsa sob sua própria gravidade e gera um buraco negro, um objeto tão denso que nem a luz pode escapar de suas garras gravitacionais. De acordo com uma nova análise feita por um astrofísico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (California Institute of Technology = Caltech), logo antes do buraco negro se formar, a estrela agonizante pode gerar um clarão de luz característico que permitirá aos astrônomos testemunhar o nascimento de um novo buraco negro pela primeira vez.

Tony Piro, um doutor da Caltech, descreve essa assinatura luminosa em um artigo, publicado na edição de 1º de maio de Astrophysical Journal Letters. Embora algumas estrelas agonizantes que se tornam buracos negros, explodam como jorros de raios gama – um dos fenômenos de maior energia no universo – esses casos são raros e requerem circunstâncias muito particulares, Como explica Piro: “Não cremos que a maioria dos buracos negros vulgares sejam criados desta maneira”. Na maioria dos casos, segundo uma das hipóteses, uma estrela que morre produz um buraco negro, sem criar uma explosão ou um clarão: a estrela pareceria apenas desaparecer dos céus — um evento batizado de “unnova” (“não-nova”). “Não se vê um clarão”, ele explica. “Você vê um desparecimento”.

No entanto – propõe Piro hipoteticamente – pode não ser este o caso. “Talvez elas não sejam tão maçantes como pensamos”.

De acordo com uma teoria bem estabelecida, quando uma estrela massiva morre, seu núcleo colapsa sob seu próprio peso. Na medida em que o colapso prossegue, os prótons e elétrons que compõem o núcleo se fundem em produzem nêutrons. Por alguns segundos — antes do colapso final em um buraco negro —o núcleo se torna um objeto extremamente denso chamado estrela de nêutrons, algo com a densidade que o Sol teria se fosse espremido em uma esfera com um raio de cerca de 10 km. Esse colapso também cria neutrinos que são partículas que transpassam quase toda a matéria quase na velocidade da luz. Esses neutrinos emitidos pelo núcleo, levam embora um monte de energia — algo em torno de um décimo da massa da estrela-mãe (lembrando que massa e energia são equivalentes: E = mc²).

De acordo com um artigo pouco conhecido, escrito em 1980 por Dmitry Nadezhin do Instituto Alikhanov de Física Teórica e Experimental, na Rússia, esta rápida perda de massa significa que a força gravitacional do núcleo da estrela moribunda cai abruptamente. E, quando isto acontece, as camadas gasosas exteriores –– principalmente hidrogênio — que ainda circundam o núcleo, são lançadas para fora, gerando uma onda de choque que trespassa essas camadas externas a cerca de 1.000 km/s.

Empregando simulações em computador, dois astrônomos da UC em Santa Cruz, Elizabeth Lovegrove e Stan Woosley, descobriram recentemente que, quando a onda de choque golpeia a superfície externa das camadas gasosas, ela aquece o gás na superfície, produzindo um lampejo que vai brilhar por cerca de um ano — um sinal potencialmente promissor do nascimento de um buraco negro. Embora cerca de um milhão de vezes mais brilhante do que o sol, esse brilho seria relativamente tênue em comparação com outras estrelas. “Seria difícil de ver, mesmo em galáxias que estejam relativamente perto de nós”, diz Piro.

Porém agora Piro diz que descobriu um sinal mais promissor. Em seu novo estudo, ele examina mais detalhadamente o que poderia acontecer quando a onda de choque atingisse a superfície da estrela e ele calcula que o impacto causaria um clarão de 10 a 100 vezes mais luminoso do que o previsto por Lovegrove e Woosley. “Esse clarão vai ser muito luminoso e nos dá a melhor chance de realmente observar a ocorrência desse fenômeno”, explica Piro. “E é isso que queremos procurar”.

Um clarão desses seria ainda tênue comparado com a explosão de uma supernova, por exemplo, mas seria luminoso o bastante para ser detectável em galáxias próximas, diz ele. O clarão, que brilharia por 3 a 10 dias antes de abrandar, seria muito claro nos comprimentos de onda da luz visível — e seria ainda mais luminoso nos comprimentos de onda do ultravioleta.

Piro estima que os astrônomos deveriam ser capazes de ver um evento desses a cada ano, em média. Pesquisas que vigiam os céus em busca de clarões de luz tais como os das supernovas — pesquisas assim como a Palomar Transient Factory (PTF), liderada pelo Caltech — são adequados para a descoberta desses eventos sem par, argumenta ele. A intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), um aperfeiçoamento da PTF e que começou sua busca em fevereiro, pode ser capaz de achar um par desses eventos por ano.

Nenhuma pesquisa observou um clarão de buraco negro até agora, prossegue Piro, porém isso não exclui sua existência. “Eventualmente poderemos começar a nos preocupar, se não encontrarmos essas coisas”.  Mas, por enquanto, diz ele, suas expectativas são perfeitamente lógicas.

Com a análise de Piro nas mãos, os astrônomos devem ser capazes de projetar e ajustar outras pesquisas adicionais, de forma a maximizar suas chances de observar o nascimento de um buraco negro no futuro próximo. Em 2015, a próxima geração da PTF, chamada de Zwicky Transient Facility (ZTF), deve começar a funcionar; ela será ainda mais sensível, o que aumentará várias vezes as chances de descobrir esses clarões. “O Caltech, dessa forma, tem uma posição privilegiada para procurar por eventos transientes como estes”, diz Piro.

Dentro da próxima década, o Large Synoptic Survey Telescope (LSST) vai começar uma extensa busca por todo o céu noturno. “Se o LSST não encontrar regularmente esse tipo de evento, então isso quer dizer que há alguma coisa errada com o quadro, ou que a formação de buracos negros é muito mais rara do que se pensava”, diz ele.

O artigo na Astrophysical Journal Letters é intitulado “Taking the ‘un’ out of unnovae.” Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, NASA, e pela Sherman Fairchild Foundation.

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Via EurekAlert.

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Em cada buraco negro, um universo inteiro

Publicado 17 de maio de 2012
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Categorias Astrofísica, Cosmologia

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Traduzido de: Every Black Hole Contains a New Universe

 

Um físico apresenta uma solução para os atuais mistérios do cosmos.

17 de maio de 2012

 

Por Nikodem Poplawski, Colunista Convidado do Inside Science Minds 
Inside Science Minds

Inside Science Minds apresenta uma série de colunistas convidados e perspectivas pessoais apresentadas por cientistas, engenheiros, matemáticos e outros membros da comunidade científica que expõem as ideias mais interessantes na ciência atual. 

 

Nikodem Poplawski

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Nikodem Poplawski exibe um “tornado em um tubo”. A garrafa de cima simboliza um buraco negro, os gargalos conectados representam um “buraco de verme” e a garrafa de baixo simboliza o universo em expansão no recém-formado outro lado do buraco de verme.
Crédito: Cortesia da Universidade de Indiana.


(ISM) – Nosso universo pode existir dentro de um buraco negro. Isso pode soar estranho, mas pode ser realmente a melhor explicação de como o universo começou e daquilo que observamos hoje. É uma teoria que vem sendo explorada nas últimas décadas por um pequeno grupo de cientistas, inclusive eu.

Em que pese seu sucesso, existem questões importantes não solucionadas pela teoria-padrão do Big Bang, a qual implica que o universo começou em uma “singularidade” aparentemente impossível, um ponto infinitamente pequeno que continha uma concentração de matéria infinitamente grande, que se expandiu até o tamanho que observamos hoje. A teoria da inflação, uma expansão super-rápida do espaço que foi proposta nas recentes décadas, preenche várias lacunas importantes, tais como por que pequenas irregularidades na concentração da matéria do universo primordial coalesceram em grandes corpos celestes tais como galáxias e aglomerados de galáxias.

No entanto, essas teorias deixam algumas importantes perguntas sem respostas. Por exemplo: O que deu início ao Big Bang? O que fez a inflação terminar? Qual é a fonte da misteriosa energia escura que aparentemente está fazendo o universo acelerar sua expansão?

A ideia de que nosso universo está contido inteiramente em um buraco negro, fornece respostas para esses problemas e muitos outros. Ela elimina a noção de singularidades fisicamente impossíveis em nosso universo. E ela é compatível com as duas principais teorias na física.

A primeira é a Relatividade Geral, a moderna teoria da gravidade. Ela descreve o universo nas maiores escalas. Qualquer evento no universo acontece em um ponto do espaço e do tempo, ou espaço-tempo. Um objeto maciço como o Sol distorce ou “curva” o espaço-tempo, tal como uma bola de boliche em repouso sobre uma lona. A mossa gravitacional causada pelo Sol altera o movimento da Terra e dos outros planetas que o orbitam. Esse “puxão” do Sol é percebido por nós como a força da gravidade.

A segunda é a mecânica quântica, que descreve o universo nas menores escalas, tais como o nível dos átomos. No entanto, a mecânica quântica e a relatividade geral são, atualmente, duas teorias separadas. Os físicos se esforçam em tentar combinar as duas em uma única teoria de “gravidade quântica”, de forma a descrever adequadamente fenômenos importantes, inclusive o comportamento de partículas subatômicas dentro dos buracos negros.

Uma adaptação, da década de 1960, da relatividade geral, chamada a teoria da gravidade Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, leva em conta os efeitos da mecânica quântica. Ela não só representa um passo na direção da gravidade quântica, como também leva a um quadro alternativo do universo. Esta variante da relatividade geral incorpora uma importante propriedade quântica, conhecida como spin. As partículas tais como elétrons e átomos possuem spin, o momento angular interno que é análogo à rotação de um patinador que gira no gelo.

Neste quadro, os spins das partículas interagem com o espaço-tempo e o dotam de uma propriedade chamada “torção”. Para entender o que é “torção”, imagine o espaço-tempo não como uma lona bidimensional, mas como uma haste flexível unidimensional. Dobrar a haste corresponder a encurvar o espaço-tempo e torcer a haste corresponde a uma torção no espaço-tempo. Se haste for fina, você pode ver ela dobrada, mas é muito difícil saber se a haste está ou não torcida.

A torção no espaço-tempo só seria significativa no universo primordial, ou em buracos negros. Nesses ambientes extremos, a torção do espaço-tempo se manifestaria como uma força repulsiva que atuaria em sentido contrário à força gravitacional da curvatura do espaço. Tal como na versão padrão da relatividade geral, as estrelas muito maciças acabam colapsando em buracos negros: regiões do espaço de onde nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

Então, aqui está como a torção funcionaria nos momentos inciais de nosso universo dentro de um buraco negro. Inicialmente, a atração gravitacional entre as partículas suplantaria as forças repulsivas da torção, fazendo com que a matéria colapsasse em uma região menor ainda do espaço. Mas eventualmente a torção se tornaria muito forte e impediria que a matéria se comprimisse até um ponto de densidade infinita. Não obstante, a matéria ainda estaria aglomerada em um estado de alta densidade. A enormemente alta energia gravitacional neste estado altamente aglomerado da matéria causaria uma intensa produção de partículas, uma vez que a energia pode ser convertida em matéria. Esse processo aumentaria ainda mais a massa no interior do buraco negro.

O número crescente de partículas com spin resultaria em níveis maiores de torção do espaço-tempo. A torção repulsiva frearia o colapso e criaria um big-bounce [nota do tradutor: não dá para traduzir… “bounce” é o “quique”, o movimento de volta de, por exemplo, uma bola que bate em uma parede], tal como uma bola de futebol que tenha sido espremida e escape. O rápido recuo depois de um tal big bounce poderia ser o que levou à nosso universo em expansão. O resultado desse recuo é compatível com as observações sobre o formato, a geometria e a distribuição de massas do universo.

Por sua vez, o mecanismo de torção sugere um espantoso cenário: cada buraco negro produziria um novo universo dentro dele. Se isso for verdade, então a primeira matéria de nosso universo veio de algum outro lugar. Então, nosso universo pode estar no interior de um buraco negro que existe em outro universo. Da mesma forma que não podemos ver o que acontece dentro de um buraco negro no cosmos, quaisquer observadores no universo original não poderiam observar o que acontece no nosso.

O movimento da matéria através da fronteira do buraco negro, chamada de “horizonte de eventos”, somente aconteceria em uma direção, o que forneceria uma direção para o tempo que nós percebemos como se movendo “para a frente”. A seta do tempo em nosso universo, portanto, seria herdada, através da torção, de nosso universo original.

A torção também pode explicar o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria no universo. Por causa da torção, a matéria sempre decairia nos familiares quarks e elétrons, e a antimatéria decairia em “matéria escura”, uma forma misteriosa e invisível de matéria que parece ser responsável pela maior parte da matéria do universo.

Black Hole IMage

Imagem em tamnho original
No centro da galáxia espiral M81 fica um buraco negro super maciço com cerca de 70 milhões de vezes a massa de nosso Sol. Crédito: X-ray: NASA / CXC / Wisconsin /D.Pooley & CfA / .Zezas; Optical: NASA/ESA/CfA/A.Zezas; UV: NASA/JPL-Caltech/CfA/J.Huchra et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/CfA
Credit: NASA et al.


Finalmente, a torção pode ser a fonte da “energia escura”, uma forma misteriosa de energia que permeia todo o espaço e aumenta a taxa de expansão de nosso universo. Uma geometria com torção produz naturalmente uma “constante cosmológica”, um tipo de força adicional que é a maneira mais simples de  explicar a energia escura. Dessa forma, a observada aceleração da expansão do universo pode acabar sendo o maior indício em favor da torção.

Portanto a torção propicia um fundamento teórico para um cenário onde o interior de cada buraco negro se torna um novo universo. Ela também parece um remédio para vários dos maiores problemas atuais da teoria da gravidade e da cosmologia. Os físicos ainda precisam combinar a teoria Einstein-Cartan-Sciama-Kibble inteiramente com a mecânica quântica, para formar uma teoria da gravidade quântica. E, embora resolva algumas questões importantes, ela levanta outras novas. Por exemplo, o que o que sabemos sobre o universo original e o buraco negro dentro do qual nosso universo reside? Quantas camadas de universos originais poderíamos ter? Como podemos verificar se nosso universo existe dentro de um buraco negro?

Essa última pergunta pode potencialmente ser investigada: uma vez que todas as estrelas e, por consequência, todos os buracos negros giram, nosso universo teria herdado a direção de rotação de nosso buraco negro como “direção preferencial”. Existem indícios recentemente revelados, a partir da observação de mais de 15.000 galáxias, que em um hemisfério do universo a maioria das galáxias espirais é “levógira” (gira para a esquerda), ou seja: gira no sentido dos ponteiros do relógio, enquanto que no outro hemisfério existem mais galáxias “destrógiras” – giram no sentido anti-horário. Seja qual for o caso, eu acredito que incluir a torção na geometria do espaço-tempo é um passo correto na direção de uma teoria cosmológica bem sucedida.

Nikodem Poplawski é um físico teórico da Universidade de Indiana.

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Um oficial reformado da Marinha com uma enorme paixão (não correspondida) pelas ciências.

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