Fusão de estrelas de nêutrons produz uma kilonova e metais valiosos
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| Duas estrelas de nêutrons se fundindo e dando origem a uma kilonova (Imagem gerada por IA em Google Whisk) |
por Hugh Ross
23 de outubro de 2017
Em 16 de outubro, os físicos e astrônomos que compõem as equipes de pesquisa do LIGO e do Virgo anunciaram a detecção de um quinto evento de ondas gravitacionais. A radioastrônoma Alessandra Corsi, da Universidade Texas Tech, chamou essa detecção de “um grande presente que a natureza nos deu” e “um evento que muda vidas”. [1]
A grande descoberta foi que essa detecção representou a primeira observação de ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons. As quatro detecções anteriores de ondas gravitacionais resultaram da fusão de dois buracos negros. O que tornou essa descoberta ainda mais significativa foi o fato de as ondas gravitacionais da fusão das duas estrelas de nêutrons terem sido observadas pelos telescópios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo. A localização dos detectores de ondas gravitacionais em três pontos (Hanford, Livingston e Pisa) permitiu aos pesquisadores determinar com precisão a localização do evento e alertar prontamente astrônomos do mundo todo para realizarem observações de acompanhamento em múltiplos comprimentos de onda.
O evento de fusão de estrelas de nêutrons ocorreu em 17 de agosto às 12h41 UTC, a 6.200 anos-luz do núcleo da galáxia NGC 4993. [2] A NGC 4993 está a 130 milhões de anos-luz da Terra, na constelação de Hidra. [3] Ela está um pouco mais perto de nós do que o centro do aglomerado de galáxias de Virgem.
Ao contrário das estrelas de nêutrons, os buracos negros não contêm matéria que possa emitir luz. Assim, como as quatro detecções anteriores de ondas gravitacionais foram da fusão de dois buracos negros, esses eventos não produziram emissões de luz. Em contrapartida, os astrônomos calcularam que a fusão de duas estrelas de nêutrons deveria expelir detritos que emitem luz em todos os comprimentos de onda.
Dois segundos após a detecção do sinal da onda gravitacional, o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama (Fermi Gamma-Ray Space Telescope, em inglês) detectou uma breve explosão de raios gama proveniente do evento. Algumas horas depois, astrônomos em cinco observatórios identificaram a fonte de luz do evento. Ao longo de vários dias, eles observaram a fusão de estrelas de nêutrons perder intensidade, passando de um azul brilhante para um vermelho fraco. Cerca de duas semanas depois, o evento de fusão começou a emitir raios-X e ondas de rádio.
Cerca de um terço de todos os astrônomos do mundo — mais de 4.600, de 952 instituições de pesquisa diferentes e em 70 observatórios distintos — estudaram o evento de fusão. [5] A riqueza de dados acumulados levou a diversas descobertas notáveis.
Origem das Explosões Curtas de Raios Gama
Primeiramente, a vasta quantidade de dados sobre o evento de fusão de estrelas de nêutrons resolveu o mistério da origem das explosões curtas de raios gama. Essas explosões têm duração que varia de 10 milissegundos a algumas horas. Centenas delas já foram observadas. Atualmente, satélites em órbita detectam, em média, uma explosão de raios gama por dia. Nenhuma foi detectada a menos de 130 milhões de anos-luz de distância. Essa ausência de explosões de raios gama próximas é benéfica, visto que elas são letais para a vida. De fato, a frequência das explosões de raios gama, por si só, descarta 90% de todas as galáxias como candidatas a abrigar vida.
Físicos teóricos haviam determinado que a única fonte concebível de explosões de raios gama com duração inferior a dois segundos era a fusão de duas estrelas de nêutrons para formar um buraco negro. As observações em múltiplas faixas de comprimento de onda da detecção de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram essa conclusão. De agora em diante, os astrônomos podem ter certeza de que, sempre que uma breve explosão de raios gama acompanhar a detecção de uma onda gravitacional, observarão a fusão de duas estrelas de nêutrons.
A Realidade das Kilonovas
Durante décadas, os astrônomos levantaram a hipótese da existência de kilonovas ou macronovas. Acredita-se que esses eventos superem brevemente o brilho das novas comuns em milhares de vezes. Os teóricos calcularam que a fusão de duas estrelas de nêutrons resultaria em um decaimento radioativo tão intenso de radioisótopos pesados que produziria uma emissão de luz pelo menos mil vezes mais brilhante que uma nova.
Além disso, os teóricos haviam determinado que tal decaimento radioativo deveria produzir a emissão de uma luz azul brilhante que, ao longo de alguns dias, se transformaria em uma luz vermelha mais fraca à medida que os produtos do decaimento radioativo absorvessem os comprimentos de onda azuis da emissão de luz inicial. Observações em múltiplos comprimentos de onda do evento de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram todas as conclusões dos teóricos.
Origem dos Elementos do Processo r
A tabela periódica contém 94 elementos naturais. (O plutônio e o netúnio, embora presentes na Terra primitiva, já se desintegraram há muito tempo.) Há algumas décadas, astrônomos e físicos estabeleceram com alta precisão como as estrelas e supernovas produzem os elementos mais leves que o ferro e metade dos elementos mais pesados que o ferro — os elementos do processo s. Eles também determinaram com sucesso os meios pelos quais a outra metade dos elementos mais pesados que o ferro — os elementos do processo r — são formados. No entanto, encontraram dificuldades em explicar a origem dos elementos do processo r.
O processo r é uma abreviação para processo de captura rápida de nêutrons. O processo envolve uma sucessão de capturas rápidas de nêutrons que resulta na transformação de elementos mais leves em elementos mais pesados. O processo é viável apenas onde há um fluxo muito alto de nêutrons livres. Os detritos ricos em nêutrons expelidos pela fusão de duas estrelas de nêutrons fornecem esse alto fluxo de nêutrons livres.
As observações em múltiplos comprimentos de onda do evento de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram que a fusão das duas estrelas de nêutrons, de fato, produziu elementos do processo r de forma eficiente. Além disso, as observações estabeleceram que a maioria, senão quase todos, os elementos do processo r que existem na Terra e em outros lugares do universo vieram de eventos de fusão de estrelas de nêutrons.
Os elementos do processo r incluem metais valiosos como prata, ouro, platina, paládio, ósmio, tório e urânio. A superabundância de tório e urânio na Terra explica, em grande parte, seu forte campo magnético persistente, crucial para prevenir a erosão da atmosfera e proteger a vida da radiação solar e cósmica nociva. Essa superabundância também explica a tectônica de placas que transformou a Terra de um mundo aquático em um planeta com oceanos e continentes na superfície.
Se não fosse pela Terra primordial fortemente salinizada por elementos do processo r produzidos por fusões de estrelas de nêutrons, qualquer tipo de vida avançada seria impossível. Se não fosse pela prata, ouro, platina, paládio e ósmio produzidos por fusões de estrelas de nêutrons, nossa civilização avançada e nosso alto padrão de saúde não poderiam ser sustentados.
O Dia de Ação de Graças está chegando em poucas semanas. Nesse dia, encorajo você a agradecer a Deus por ter dado aos astrônomos a capacidade de aprender tanto sobre eventos de fusão de estrelas de nêutrons e, assim, descobrir mais da glória de Deus na criação. Encorajo você também a agradecer a Deus por ter exposto a Terra primordial a uma fonte tão rica de elementos do processo r provenientes de fusões de estrelas de nêutrons e por nos proteger atualmente de quaisquer eventos de fusão de estrelas de nêutrons próximos. Os céus, de fato, proclamam a glória e a justiça de Deus.
Imagem em destaque: Representação artística da fusão de um sistema binário de estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: NASA/Goddard Space Flight Center; para ver uma animação da fusão de um sistema binário de estrelas de nêutrons, clique aqui.
23 de outubro de 2017
Em 16 de outubro, os físicos e astrônomos que compõem as equipes de pesquisa do LIGO e do Virgo anunciaram a detecção de um quinto evento de ondas gravitacionais. A radioastrônoma Alessandra Corsi, da Universidade Texas Tech, chamou essa detecção de “um grande presente que a natureza nos deu” e “um evento que muda vidas”. [1]
A grande descoberta foi que essa detecção representou a primeira observação de ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons. As quatro detecções anteriores de ondas gravitacionais resultaram da fusão de dois buracos negros. O que tornou essa descoberta ainda mais significativa foi o fato de as ondas gravitacionais da fusão das duas estrelas de nêutrons terem sido observadas pelos telescópios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo. A localização dos detectores de ondas gravitacionais em três pontos (Hanford, Livingston e Pisa) permitiu aos pesquisadores determinar com precisão a localização do evento e alertar prontamente astrônomos do mundo todo para realizarem observações de acompanhamento em múltiplos comprimentos de onda.
O evento de fusão de estrelas de nêutrons ocorreu em 17 de agosto às 12h41 UTC, a 6.200 anos-luz do núcleo da galáxia NGC 4993. [2] A NGC 4993 está a 130 milhões de anos-luz da Terra, na constelação de Hidra. [3] Ela está um pouco mais perto de nós do que o centro do aglomerado de galáxias de Virgem.
Ao contrário das estrelas de nêutrons, os buracos negros não contêm matéria que possa emitir luz. Assim, como as quatro detecções anteriores de ondas gravitacionais foram da fusão de dois buracos negros, esses eventos não produziram emissões de luz. Em contrapartida, os astrônomos calcularam que a fusão de duas estrelas de nêutrons deveria expelir detritos que emitem luz em todos os comprimentos de onda.
Dois segundos após a detecção do sinal da onda gravitacional, o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama (Fermi Gamma-Ray Space Telescope, em inglês) detectou uma breve explosão de raios gama proveniente do evento. Algumas horas depois, astrônomos em cinco observatórios identificaram a fonte de luz do evento. Ao longo de vários dias, eles observaram a fusão de estrelas de nêutrons perder intensidade, passando de um azul brilhante para um vermelho fraco. Cerca de duas semanas depois, o evento de fusão começou a emitir raios-X e ondas de rádio.
Cerca de um terço de todos os astrônomos do mundo — mais de 4.600, de 952 instituições de pesquisa diferentes e em 70 observatórios distintos — estudaram o evento de fusão. [5] A riqueza de dados acumulados levou a diversas descobertas notáveis.
Origem das Explosões Curtas de Raios Gama
Primeiramente, a vasta quantidade de dados sobre o evento de fusão de estrelas de nêutrons resolveu o mistério da origem das explosões curtas de raios gama. Essas explosões têm duração que varia de 10 milissegundos a algumas horas. Centenas delas já foram observadas. Atualmente, satélites em órbita detectam, em média, uma explosão de raios gama por dia. Nenhuma foi detectada a menos de 130 milhões de anos-luz de distância. Essa ausência de explosões de raios gama próximas é benéfica, visto que elas são letais para a vida. De fato, a frequência das explosões de raios gama, por si só, descarta 90% de todas as galáxias como candidatas a abrigar vida.
Físicos teóricos haviam determinado que a única fonte concebível de explosões de raios gama com duração inferior a dois segundos era a fusão de duas estrelas de nêutrons para formar um buraco negro. As observações em múltiplas faixas de comprimento de onda da detecção de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram essa conclusão. De agora em diante, os astrônomos podem ter certeza de que, sempre que uma breve explosão de raios gama acompanhar a detecção de uma onda gravitacional, observarão a fusão de duas estrelas de nêutrons.
A Realidade das Kilonovas
Durante décadas, os astrônomos levantaram a hipótese da existência de kilonovas ou macronovas. Acredita-se que esses eventos superem brevemente o brilho das novas comuns em milhares de vezes. Os teóricos calcularam que a fusão de duas estrelas de nêutrons resultaria em um decaimento radioativo tão intenso de radioisótopos pesados que produziria uma emissão de luz pelo menos mil vezes mais brilhante que uma nova.
Além disso, os teóricos haviam determinado que tal decaimento radioativo deveria produzir a emissão de uma luz azul brilhante que, ao longo de alguns dias, se transformaria em uma luz vermelha mais fraca à medida que os produtos do decaimento radioativo absorvessem os comprimentos de onda azuis da emissão de luz inicial. Observações em múltiplos comprimentos de onda do evento de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram todas as conclusões dos teóricos.
Origem dos Elementos do Processo r
A tabela periódica contém 94 elementos naturais. (O plutônio e o netúnio, embora presentes na Terra primitiva, já se desintegraram há muito tempo.) Há algumas décadas, astrônomos e físicos estabeleceram com alta precisão como as estrelas e supernovas produzem os elementos mais leves que o ferro e metade dos elementos mais pesados que o ferro — os elementos do processo s. Eles também determinaram com sucesso os meios pelos quais a outra metade dos elementos mais pesados que o ferro — os elementos do processo r — são formados. No entanto, encontraram dificuldades em explicar a origem dos elementos do processo r.
O processo r é uma abreviação para processo de captura rápida de nêutrons. O processo envolve uma sucessão de capturas rápidas de nêutrons que resulta na transformação de elementos mais leves em elementos mais pesados. O processo é viável apenas onde há um fluxo muito alto de nêutrons livres. Os detritos ricos em nêutrons expelidos pela fusão de duas estrelas de nêutrons fornecem esse alto fluxo de nêutrons livres.
As observações em múltiplos comprimentos de onda do evento de ondas gravitacionais de 17 de agosto confirmaram que a fusão das duas estrelas de nêutrons, de fato, produziu elementos do processo r de forma eficiente. Além disso, as observações estabeleceram que a maioria, senão quase todos, os elementos do processo r que existem na Terra e em outros lugares do universo vieram de eventos de fusão de estrelas de nêutrons.
Os elementos do processo r incluem metais valiosos como prata, ouro, platina, paládio, ósmio, tório e urânio. A superabundância de tório e urânio na Terra explica, em grande parte, seu forte campo magnético persistente, crucial para prevenir a erosão da atmosfera e proteger a vida da radiação solar e cósmica nociva. Essa superabundância também explica a tectônica de placas que transformou a Terra de um mundo aquático em um planeta com oceanos e continentes na superfície.
Se não fosse pela Terra primordial fortemente salinizada por elementos do processo r produzidos por fusões de estrelas de nêutrons, qualquer tipo de vida avançada seria impossível. Se não fosse pela prata, ouro, platina, paládio e ósmio produzidos por fusões de estrelas de nêutrons, nossa civilização avançada e nosso alto padrão de saúde não poderiam ser sustentados.
O Dia de Ação de Graças está chegando em poucas semanas. Nesse dia, encorajo você a agradecer a Deus por ter dado aos astrônomos a capacidade de aprender tanto sobre eventos de fusão de estrelas de nêutrons e, assim, descobrir mais da glória de Deus na criação. Encorajo você também a agradecer a Deus por ter exposto a Terra primordial a uma fonte tão rica de elementos do processo r provenientes de fusões de estrelas de nêutrons e por nos proteger atualmente de quaisquer eventos de fusão de estrelas de nêutrons próximos. Os céus, de fato, proclamam a glória e a justiça de Deus.
Imagem em destaque: Representação artística da fusão de um sistema binário de estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: NASA/Goddard Space Flight Center; para ver uma animação da fusão de um sistema binário de estrelas de nêutrons, clique aqui.
Recursos
Todos os 23 artigos de pesquisa revisados por pares sobre as observações do evento de ondas gravitacionais de 17 de agosto estão disponíveis na íntegra e gratuitamente na edição de 20 de outubro de 2017 do Astrophysical Journal Letters.
Notas de Fim
- Adrian Cho, “Merging Neutron Stars Generate Gravitational Waves and a Celestial Light Show”, Science (16 de outubro de 2017): doi:10.1126/science.aar2149.
- Y.-C. Pan et al., “The Old Host-Galaxy Environment of SSS17a, the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-Wave Source”, Astrophysical Journal Letters 848 (16 de outubro de 2017): id. L30, doi:10.3847/2041-8213/aa9116.
- Jens Hjorth et al., “The Distance to NGC 4993: The Host Galaxy of the Gravitational-Wave Event GW170817”, Astrophysical Journal Letters 848 (16 de outubro de 2017): id. L31, doi:10.3847/2041-8213/aa9110.
- B. P. Abbott et al., “Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB170817a”, Astrophysical Journal Letters 848 (16 de outubro de 2017): id. L13, doi:10.3847/2041-8213/aa920c.
- B. P. Abbott et al., “Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger”, Astrophysical Journal Letters 848 (16 de outubro de 2017): id. L12, doi:10.3847/2041-8213/aa91c9.
- P. S. Cowperthwaite et al., “The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. II. UV, Optical, and Near-Infrared Light Curves and Comparison to Kilonova Models”, Astrophysical Journal Letters 848 ( 16 de outubro de 2017): id. L17, doi:10.3847/2041-8213/aa8fc7.
- R. Chornock et al., “The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. IV. Detection of Near-Infrared Signatures of r-Process Nucleosynthesis with Gemini-South”, Astrophysical Journal Letters 848 (16 de outubro de 2017): id. L19, doi:10.3847/2041-8213/aa905c.
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Traduzido de Neutron Star Merger Produces a Kilonova and Valuable Metals (RTB)
Etiquetas:
astrofísica - astronomia - origem dos elementos químicos
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