Casos e Vozes

Membro e representante da Espanha no Observatório Pierre Auger, e Catedrático do Instituto Galego de Física de Altas Energias do Departamento de Física de Partículas da Faculdade de Física da Universidade de Santiago de Compostela, Enrique Zas compartilhou conosco sua experiência no processo de observação da fusão de duas estrelas de nêutrons registrada no último dia 17 de agosto, à qual se refere como uma experiência que mudou a vida dos cientistas participantes.

Qual foi a participação do Observatório Pierre Auger na pesquisa que conduziu à captação de luz e ondas gravitacionais da explosão estelar revelada há alguns dias?
O dia 17 de agosto de 2017, às 14h40, hora da Europa Central, marcou uma nova fase para a Física. Os dois braços - de 4 km cada um - dos dois detectores de LIGO em Hanford e Livingston (EUA) detectaram uma pequena e harmoniosa contração e expansão do espaço, devido à passagem de uma onda gravitacional. Desta vez, a "canção" do sistema binário durou quase dois minutos, tornando-se progressivamente mais aguda até o momento da colisão. A onda gravitacional também pode ser confirmada no detector europeu Virgo, em Pisa (Itália), que acaba de entrar em operação, permitindo uma melhor delimitação da direção em que foi produzida.

O fenômeno foi encontrado nos dados depois que os detectores receberam uma circular de um detector de raios gama no satélite FERMI que localizou uma explosão de raios gama de uma ampla região do céu, sem contudo poder identificar a direção da origem. Verificou-se que a explosão ocorreu 1,7 segundos após o final da onda gravitacional formada por duas estrelas de nêutrons que giravam uma em direção à outra, aproximando-se progressivamente e aumentando sua velocidade à medida que irradiavam energia, até colidir. O fim da onda gravitacional corresponde à colisão que libera muita energia em um volume relativamente pequeno, uma vez que as estrelas de nêutrons têm uma massa ligeiramente maior do que a do sol, mas um raio de apenas 10 quilômetros. A explosão de raios gama ocorreu quase que imediatamente.

Uma extensa campanha de busca foi realizada em todos os tipos de telescópios e observatórios, raios-X, ultravioleta, ópticos, infravermelhos, ondas de rádio e neutrinos. Estamos todos interligados para poder procurar sinais quando eventos excepcionais como este ocorrem. Os telescópios ópticos permitiram localizar com precisão a galáxia em que a explosão ocorreu, já que horas depois detectaram uma nova fonte óptica na galáxia NGC 4993, a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância.

O Observatório Pierre Auger e os detectores de neutrinos ANTARES e IceCube, que pertencem a esta rede de detectores, receberam o alerta pouco depois de serem detectados e realizaram uma pesquisa entre os dados de neutrinos de alta energia. Nenhum dos três observou neutrinos procedentes dessa direção. Isso também é importante porque os modelos que tentam explicar esses eventos preveem a existência de neutrinos de altas energias, especialmente na direção perpendicular ao plano de rotação das estrelas em que uma gigantesca corrente de partículas muito energéticas é emitida. Não observá-los nos permite concluir que esta corrente não apontou para a Terra.

O Observatório Pierre Auger procura por neutrinos selecionando chuvas que chegam muito inclinadas. Uma das maneiras mais eficientes de detectá-los é procurar cascatas quase horizontais que ocorrem quando os neutrinos interagem na rocha perto da superfície e uma partícula carregada (um tau lepton) sai quase paralela à superfície que se desintegra na atmosfera produzindo um banho horizontal. É necessário ser muito enérgico para que a chuva seja suficientemente grande e para detectá-la com o Observatório e, para detectar neutrinos dessa maneira, eles têm que ser de tipo especial, “neutrinos de tau”. Apenas esses neutrinos produzem o tau lepton (existem três tipos de neutrinos associados ao elétron, ao muão e ao tau). Nosso detector difere e complementa os outros detectores de neutrinos em vários aspectos: em energia, porque é sensível apenas a neutrinos muito enérgicos; em sensibilidade, porque é muito eficiente para detectar neutrinos de tau que vêm de direções de poucos graus abaixo do horizonte, sim, atravessando centenas de quilômetros de terra! Em relação ao "gosto" ou ao tipo de neutrino, porque permite distinguir os neutrinos de tau, pois são os únicos que podemos detectar abaixo do horizonte e, finalmente, na direcionalidade, porque podemos reconstruir a direção da chegada com precisão em torno de um ou dois graus. A principal desvantagem é que, a cada momento, nosso detector está limitado a direções específicas.

Tivemos muita sorte. A colisão de nêutrons estava na melhor posição para que pudéssemos detectar neutrinos de alta energia; dois graus abaixo do horizonte! Como não detectamos neutrinos, colocamos uma cota, dizemos que não poderia haver um fluxo maior do que uma certa quantia. Como estava tão bem orientado, nosso resultado referente a altas energias é mais restritivo o do melhor detector de neutrinos do mundo - o IceCube - e, portanto, muito relevante nesta gama de energias. O resultado destaca a eficácia do nosso detector quando está bem orientado para detectar neutrinos. Não devemos esquecer que o Observatório Auger não tem como objetivo principal detectar os neutrinos, portanto, esse é um valor agregado do Observatório que não pode ser negligenciado.

Como se desenvolveu esta pesquisa colaborativa?
Há aproximadamente um ano começamos a estabelecer contatos com a colaboração de LIGO para assinar um acordo de cooperação, prevendo que poderia ocorrer algo do tipo. Muitos outros observatórios que poderiam contribuir com informação também fizeram o mesmo. O acordo foi assinado este ano e começamos a receber comunicados de alerta de detecções durante todo o verão. Houve muitos alertas, mas esta foi sem dúvida a mais relevante. Quando a recebemos começamos a procurar em nossa base de dados e descobrimos que não havia chuvas que pudéssemos atribuir a neutrinos procedentes da direção da colisão. Simultaneamente, outros observatórios fizeram o mesmo e muitos deles detectaram luz (espectro ótico, infravermelho e ultravioleta), raios X e ondas de rádio; outros puseram cotas. O importante nisso tudo é que se puseram a observar este sucesso desde o princípio, porque o processo é bem complexo e, uma vez produzida a colisão, se emite radiação que muda de frequência na medida em que passam as horas e as semanas. Esta informação é um passo enorme no conhecimento, uma vez que nunca tivemos a oportunidade de observar um processo tão singular e tão complexo a partir de tantos pontos de vista. Ao combinar todas as informações podemos tirar conclusões sobre o fenômeno de forma muito mais precisa.

Muitos artigos científicos foram publicados quase simultaneamente no dia 16 de outubro deste ano. Nossa participação gerou dois artigos, um que inclui a todos os detectores que observaram o sucesso e que será lembrado historicamente como o nascimento da Astronomia de Multimensageiros, e outro mais específico sobre a cota de neutrinos, que publicamos conjuntamente com três detectores de neutrinos e a colaboração de LIGO.

Como foi a experiência de participar de um esforço coletivo com um resultado tão grandioso?
Foi uma experiência realmente estimulante que afetou até mesmo nossas vidas pessoais. Por ter sido em agosto, mês de férias de alguns dos que estavam envolvidos, o evento acabou modificando nosso planejamento. Outro exemplo é o de um dos estudantes de doutorado que realizou a busca de neutrino. Ele estava no hospital durante o evento e teve que trabalhar de lá mesmo. É importante destacar isso: sem a dedicação abnegada dos envolvidos, este marco não seria possível.

Que importância teve o trabalho colaborativo e a existência das redes acadêmicas avançadas de Internet para esta descoberta?
Claramente tudo isso só é possível graças à Internet. Não podíamos imaginar nada disso sem esta rede. Os dados de nosso observatório são distribuídos pela rede e creio que isso também ocorre para todos os observatórios (há mais de 70 envolvidos). A internet também cumpre um papel fundamental para facilitar os alertas que recebemos pela rede. Sem dúvidas, a Internet já está tão integrada à comunidade científica que não tínhamos nenhum plano B caso ela falhasse. Se isso acontecesse teríamos que fazer tudo por telefone, o que seria muito mais difícil.

Qual é a transcendência desse episódio para a Ciência?
A detecção das ondas gravitacionais por LIGO é excepcional, já que medir a frequência com a qual orbitam as estrelas permite deduzir muitas questões sobre o processo. Com grande probabilidade se tratavam de duas estrelas de nêutrons que giravam uma ao redor da outra, aproximando-se progressivamente até colidirem. Sua densidade é da ordem de centenas de milhões de toneladas por centímetro cúbico e, na colisão, uma grande quantidade de energia é liberada em pouquíssimo tempo. Depois vieram os “fogos de artifício” de todas as cores possíveis que duraram semanas e foram observados por mais de 70 observatórios. Trata-se de um acontecimento excepcional, jamais registrado, e que aconteceu a ‘somente’ 130 milhões de anos-luz, dez vezes mais perto que as colisões de buracos negros registradas até agora. O artigo de LIGO foi publicado no Physical Review Letters no dia 16 de outubro e foi anunciado numa coletiva de imprensa.

Houve uma intensa campanha de busca por múltiplos telescópios que abarcam desde ondas de rádio, infravermelhos, ópticos, ultravioletas, raios X e raios gama, assim como três telescópios de neutrinos – ANTARES, IceCube e o Observatório Pierre Auger – que se puseram a observar de forma imediata nesta direção. Simultaneamente, foram publicados ou enviados mais de 100 artigos, muitos em revistas como Nature, Nature Astronomy, Science, Astrophyscal Journal Letters, Physica Review Letters, contendo informações detalhadas sobre cada uma destas observações. O número de publicações reflete o enorme impacto científico desta descoberta.

Todas estas observações combinadas são uma fonte de informação única em seu gênero e sem precedentes que permite aprofundar nossos estudos relacionados a estes fenômenos cataclísmicos de forma excepcional e, por tanto, supõem passos enormes para a ciência. Por agora já confirmamos que a origem de ao menos parte das explosões curtas de raios gama se deve à colisão de estrelas de nêutrons, algo que até agora era somente uma hipótese. Este dado aparece recolhido num artigo publicado no dia 16 de outubro no "Astrophysical Journal Letters", pela colaboração de todos estes observatórios entre os quais figura o Observatório Pierre Auger, um dos três detectores de neutrinos detectados. Trata-se de um gigantesco esforço conjunto de muitos experimentos, que envolve a astronomia, a astrofísica, a física de partículas e o novo campo das ondas gravitacionais dando lugar a um descobrimento excepcional. Sem dúvida, é um marco do começo de uma nova forma de observação que alguns já começaram a chamar de "astronomia de multimensageiros".

Saiba mais:

• Crônica de uma colaboração global: a fusão de duas estrelas de nêutrons, um abraço de 130 milhões de anos
• “La persecusión de una KiloNova”, por Luis Núñez: https://halley.uis.edu.co/clases/lnunez/
• Dra. Kathy Vivas, Astrônoma: “Está começando uma nova era na Astronomia”
• LIGO: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
• Pierre Auger: https://www.auger.org/index.php/news/latest-news/the-pierre-auger-antares-and-icecube-observatories-team-up-for-a-search-of-neutrino-emission-from-the-binary-neutron-star-merger-gw170817
• ESO: https://www.eso.org/public/chile/news/eso1733/