Observações rádio poderão explicar fenómenos de fusão de estrelas de neutrões

Três meses de observações com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) do NSF (National Science Foundation) permitiram aos astrónomos determinar a explicação mais provável para o que aconteceu após a violenta colisão de um par de estrelas de neutrões numa galáxia a 130 milhões de anos-luz da Terra.

No dia 17 de agosto de 2017, os observatórios de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO juntaram forças para localizar as fracas ondulações no espaço-tempo provocadas pela fusão de duas estrelas de neutrões superdensas. Foi a primeira deteção confirmada de uma fusão do género e apenas a quinta deteção direta de ondas gravitacionais, previstas há mais de um século por Albert Einstein.

As ondas gravitacionais foram seguidas por explosões de raios gama, raios-X e luz visível do evento. O VLA detetou as primeiras ondas de rádio provenientes do evento no dia 2 de setembro. Esta foi a primeira vez que um objeto astronómico foi detetado tanto em ondas gravitacionais como em ondas eletromagnéticas.

O “timing” e a força da radiação eletromagnética, em diferentes comprimentos de onda, forneceu os cientistas com pistas acerca da natureza dos fenómenos criados pela colisão inicial das estrelas de neutrões.

Antes do evento de agosto, os teóricos propuseram várias ideias – modelos teóricos – sobre estes fenómenos. Como a primeira colisão a ser identificada positivamente, o evento de agosto proporcionou a primeira oportunidade para comparar previsões dos modelos com observações reais.

Usando o VLA, o ATCA (Australia Telescope Compact Array) e o GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia, os astrónomos observaram regularmente o objeto a partir de setembro em diante. Os radiotelescópios mostraram a emissão de rádio a ganhar força. Com base nisto, os astrónomos identificaram o cenário mais provável para as consequências da fusão.

“O brilho gradual do sinal de rádio indica que estamos a ver um fluxo exterior de material de grande angular, viajando a velocidades comparáveis à da luz, da fusão das estrelas de neutrões”, afirma Kunal Mooley, agora no NRAO (National Radio Astronomy Observatory).

As medições observadas estão a ajudar os astrónomos a descobrir a sequência de eventos desencadeada pela colisão das estrelas de neutrões.

A fusão inicial dos dois objetos superdensos provocou uma explosão, chamada quilonova, que impulsionou para fora uma concha esférica de detritos. As estrelas de neutrões colapsaram num remanescente, possivelmente um buraco negro, cuja poderosa gravidade começou a puxar o material na sua direção. Esse material formou um disco com rápida rotação que produziu um par de jatos estreitos e velozes expelidos a partir dos polos.

Se um dos jatos estivesse apontado na direção da Terra, teríamos visto uma explosão de raios-gama de curta duração, como muitas já foram observadas antes, disseram os cientistas. “Claramente não foi este o caso”, comenta Mooley.

Algumas das primeiras medições do evento de agosto sugeriram, em vez disso, que um dos jatos podia estar ligeiramente desviado da direção da Terra. Este modelo explicaria o facto de que as emissões rádio e de raios-X foram vistas apenas pouco tempo depois da colisão.

“Esse modelo simples – de um jato sem estrutura (chamado jato ‘cartola’) visto ligeiramente desviado do eixo – teria mostrado uma emissão cada vez mais fraca de ondas rádio e raios-X. Tendo em conta que vimos a emissão rádio ficar mais forte, percebemos que a explicação exigiria um modelo diferente,” explica Alessandra Corsi, da Universidade Texas Tech.

Os astrónomos debruçaram-se num modelo publicado em outubro por Mansi Kasliwal do Caltech, e colegas, e desenvolvido posteriormente por Ore Gottlieb, da Universidade de Tel Aviv, e colegas. Nesse modelo, o jato não percorre o caminho para fora da esfera dos detritos da explosão. Ao invés, reúne material circundante enquanto se dirige para fora, produzindo um “casulo” amplo que absorve a energia do jato.

Os astrónomos favoreceram esse cenário com base na informação que recolheram graças aos radiotelescópios. Logo após as observações iniciais do local da fusão, a viagem anual da Terra em redor do Sol colocou o objeto demasiado perto da nossa estrela, no céu, para que os telescópios de raios-X e óticos o pudessem observar. Durante semanas, os radiotelescópios foram a única maneira de continuar a recolha de dados do evento.

“Se as ondas rádio e os raios-X provêm ambos de um casulo em expansão, percebemos que as nossas medições rádio significavam que, quando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA pudesse observar mais uma vez, encontraria que os raios-X, tal como as ondas de rádio, tinham aumentado de força“, realça Corsi.

Mooley e colegas publicaram um artigo com as suas medições no rádio, o seu cenário preferido para o evento e esta previsão online no dia 30 de novembro. O Chandra observou novamente o objeto nos dias 2 e 6 de dezembro.

“No dia 7 de dezembro, foram divulgados os resultados do Chandra, e a emissão de raio-X tinha ficado mais forte, exatamente como havíamos previsto”, afirma Gregg Hallinan, do Caltech.

“A concordância entre os dados no rádio e os dados de raios-X sugere que os raios-X são provenientes do mesmo fluxo exterior que produz as ondas de rádio“, explica Mooley.

“Foi muito emocionante ver as nossas previsões confirmadas”, realça Hallinan. E acrescenta: “Uma implicação importante para o modelo de casulo é que devemos poder ver muitas mais destas colisões através da deteção das suas ondas eletromagnéticas, não apenas das suas ondas gravitacionais.”

Mooley, Hallinan, Corsi e colegas divulgaram os seus achados num artigo publicado na revista Nature.