Duas estrelas de nêutrons colidem

Como duas estrelas mortas colidem, forjam ouro e foram ouvidas e vistas da Terra 130 milhões de anos depois

Passo a passo

Duas estrelas de nêutrons

Cada uma é o que restou quando o núcleo de uma estrela massiva colapsou numa supernova: mais massa que o Sol, esmagada numa bola do tamanho de uma cidade e feita sobretudo de nêutrons. Sua gravidade é tão forte que a luz do lado oculto se curva em nossa direção, e elas parecem cerca de um quarto maiores do que são.

Cada uma nasceu em sua própria supernova, mas as duas continuaram ligadas. Desde então sua órbita vem encolhendo, e aqui lhes resta pouco mais de uma hora. Elas estão em NGC 4993, uma galáxia na constelação de Hidra.

Ondas no espaço

Enquanto giram, sacodem o próprio espaço. Ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, esticando o espaço numa direção e comprimindo-o na outra, duas vezes a cada volta.

As ondas levam energia embora, e ela sai da órbita; assim, as estrelas se aproximam e giram mais depressa. Estrelas de nêutrons são muito mais leves que os buracos negros cuja fusão foi ouvida primeiro, então suas ondas são mais fracas e sua espiral, muito mais lenta.

Aqui as ondas são desenhadas no plano da órbita, douradas onde o espaço é esticado e azuis onde é comprimido. Nesta fase elas sobem e descem seis vezes por segundo, e cada uma tem cerca de 50 000 km, quatro vezes a largura da Terra.

Cada vez mais depressa

Tempo acelerado: na hora seguinte as estrelas passam de 1000 km para 400 km de distância e aceleram até 12 voltas por segundo. Suas ondas agora são rápidas o bastante para que o LIGO e o Virgo as ouçam.

Quanto mais próximas, mais rápido se movem e mais fortes são suas ondas, e a órbita encolhe cada vez mais depressa. Daqui em diante restam 100 segundos às estrelas, e nesse tempo elas darão quase 2000 voltas a mais.

O tom das ondas é o dobro das voltas por segundo da órbita. A 24 ciclos por segundo as estrelas entraram no alcance auditivo dos dois detectores do LIGO, nos Estados Unidos, e do Virgo, na Itália, que captam ondas de cerca de dez a alguns milhares de ciclos por segundo.

Os últimos 100 segundos

Tempo acelerado e depois desacelerado: em seus últimos 100 segundos as estrelas passam de 400 km de distância a quase se tocar, e o tom das ondas sobe de 24 para mais de mil ciclos por segundo.

Foi isto que o LIGO e o Virgo ouviram: milhares de ciclos em cerca de 100 segundos, cada vez mais agudos e fortes, um “chirp” muito mais longo que a fração de segundo das fusões de buracos negros. Transformado em som, ele sobe como o canto de um pássaro.

O longo chirp permitiu pesar as estrelas com precisão. A combinação de suas massas que define a rapidez com que o tom sobe deu 1,19 massa solar, com margem de um milésimo; as massas em si, com menos exatidão, cerca de 1,46 e 1,27 massa solar se, como é provável, as estrelas giram devagar.

Despedaçada

Em câmera lenta, cerca de 2000 vezes: esticadas pela atração mútua, as estrelas se tocam a 40% da velocidade da luz. As marés arrancam delas braços de matéria, lançados a até um quarto da velocidade da luz.

O lado próximo de cada estrela é mais atraído pela outra que o lado distante, e nas últimas voltas as marés as deformam. Ao colidirem, suas camadas externas são arrancadas e lançadas em dois braços curvos, como a água de um irrigador de jardim girando.

Onde se encontram, o choque comprime e aquece a matéria a centenas de bilhões de graus, e mais matéria esguicha para fora, mais rápido na direção dos polos. O que acontece de verdade aqui só é conhecido por simulações em supercomputadores, e as formas mostradas as seguem só por alto.

Pesada demais para durar

As duas viram uma única estrela de cerca de 2,7 massas solares, girando centenas de vezes por segundo. Pesada demais para se sustentar por muito tempo, ela colapsa num buraco negro cercado por um disco de destroços.

No começo, só a rotação rápida e o calor sustentam a estrela fundida. As estrelas de nêutrons mais pesadas já encontradas têm pouco mais de duas massas solares, e a luz desta colisão sugere que a estrela fundida colapsou em uma fração de segundo, num buraco negro de cerca de 15 km de diâmetro.

O gás que continua girando forma um disco quente e espesso, que o buraco negro engole ou sopra para longe em cerca de um segundo. Aqui o tempo fica primeiro em câmera lenta e depois acelerado, e a nuvem de matéria lançada é desenhada transparente, para que a estrela e o buraco negro apareçam.

Um jato de raios gama

Ao longo de seu eixo, um jato estreito dispara quase à velocidade da luz. Seus raios gama, desenhados aqui em violeta, chegaram à Terra 1,7 segundo depois das ondas.

O jato é provavelmente impulsionado pela rotação do buraco negro e pelo campo magnético do disco. Ele teve de abrir caminho pela matéria já lançada. Seus raios gama, energéticos demais para qualquer olho ver, são o breve clarão que os astrônomos chamam de explosão curta de raios gama.

O satélite Fermi, da NASA, captou esta, a GRB 170817A, com cerca de dois segundos. Ela foi incomumente fraca porque o jato não apontava para nós: imagens de rádio posteriores mostraram que ele mirava a cerca de 20 graus. Chegando 1,7 segundo depois das ondas, após 130 milhões de anos de viagem, mostrou que a gravidade viaja à velocidade da luz, com precisão de uma parte em 10¹⁵.

Uma quilonova

Tempo acelerado: a matéria lançada, cerca de 20 000 Terras, brilha enquanto os novos elementos pesados nela decaem. Esse brilho, uma quilonova, brilhou como centenas de milhões de sóis.

Os átomos recém-formados são instáveis e decaem ao longo de horas e dias, aquecendo a nuvem por dentro. Ela brilha cerca de mil vezes mais que uma nova, uma erupção na superfície de uma anã branca; daí o nome quilonova, dado em 2010. Esta foi a primeira já vista.

Quando foi vista pela primeira vez, onze horas após a colisão, brilhava como cerca de 270 milhões de sóis e já estava enfraquecendo. Suas primeiras horas não foram vistas, então aqui seguem modelos. Era branco-azulada, com cerca de 10 000 graus, e se expandia a quase um terço da velocidade da luz.

Ouro e platina

Dias acelerados: ela esfria do branco-azulado ao vermelho e se apaga. Sua luz mostra elementos mais pesados que o ferro sendo formados: encontrou-se estrôncio nela, e ela também formou ouro e platina.

No primeiro segundo após a colisão, a matéria lançada era tão rica em nêutrons que os átomos os absorviam mais rápido do que conseguiam decair, formando elementos muito mais pesados que o ferro. É o processo rápido, ou processo r; acredita-se que cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro se forme assim.

Átomos pesados chamados lantanídeos, formados junto com o ouro e a platina, bloqueiam a luz azul; assim, à medida que a nuvem se dilui, sua luz fica vermelha e depois infravermelha. O estrôncio foi identificado em sua luz em 2019. Quanto ouro se formou é menos certo: as estimativas vão de algumas a algumas centenas de vezes a massa da Terra.

Vista da Terra

Em 17 de agosto de 2017, às 12:41 UTC, as ondas varreram a Terra, e 1,7 segundo depois os raios gama. Onze horas mais tarde, um telescópio no Chile encontrou a nova luz na galáxia NGC 4993.

Os dois detectores do LIGO e o Virgo juntos restringiram a fonte a uma área do céu de cerca de 130 vezes a área da Lua, na constelação de Hidra, a uns 130 milhões de anos-luz. Telescópios do mundo todo vasculharam as galáxias dali assim que escureceu.

O telescópio Swope, em Las Campanas, no Chile, a encontrou primeiro: um novo ponto de luz perto do centro de NGC 4993. Em poucos dias, uns 70 observatórios, nos sete continentes e no espaço, a tinham observado, dos raios gama às ondas de rádio. A galáxia aqui é desenhada a partir de um modelo simples.

Ouvida e vista

Foi a primeira vez que um mesmo evento foi ouvido em ondas gravitacionais e visto em luz. Mostrou onde se forma boa parte do ouro do universo.

Provou que colisões de estrelas de nêutrons causam explosões curtas de raios gama e forjam elementos pesados, e que as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz. A intensidade das ondas deu a distância, e a velocidade com que a galáxia se afasta de nós deu uma nova maneira de medir a rapidez com que o universo se expande.

Dias depois surgiram raios X, depois ondas de rádio: o brilho residual do jato, que continuou aumentando por meses. Em 2019 os detectores ouviram outro par de estrelas de nêutrons colidir, mas nenhuma luz foi encontrada. Até 2025, esta continuava sendo a única colisão ouvida e vista.

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