Resumo

Um dos cenários possíveis para a produção de erupções de raios de gama de curta duração é o fenômeno da quilonova, resultado da fusão de estrelas de nêutrons. O evento GW170817, reivindicado pelos observatórios LIGO e Virgo, como ondas gravitacionais geradas pela fusão de um sistema binário de estrelas de nêutrons, reforçou enormemente este cenário e foi saudado pelos seus defensores como um dos maiores acontecimentos científicos dos últimos tempos. Discuto alguns detalhes desta questão e dos desdobramentos futuros em favor ou contra a prevalência da realidade da quilonova como cenário definitivo para a produção das erupções de raios gama de curta duração.

1. Introdução

A fusão de estrelas de nêutrons. além de produzir ondas gravitacionais (OGs), resulta num fenômeno excepcionalmente energético de curta duração, que irradia em todos os comprimentos de onda, desde ondas de rádio a raios gama, sendo, nesta última faixa, um ERG-C. A galáxia hospedeira do evento foi identificada como NGC 4993, uma galáxia lenticular situada a 130 milhões de anos-luz da Terra. A figura 1 mostra a galáxia observada pelo Telescópio Espacial Hubble. Se confirmado, temos aí a primeira observação de uma “quilonova”.

Figura 1
Galáxia lenticular NGC 4993. Em 17 de agosto de 2017 o observatório LIGO e o interferômetro Virgo detectaram OGs originadas nesta galáxia. Uma erupção de luz em vários comprimentos de onda foi também observada na galáxia, cujo local é mostrado pelo pequeno quadrado à esquerda e acima do centro galáctico. O seu brilho diminuiu em cerca de 10 dias e está mostrado no quadrado no canto superior direito (Telescópio Espacial Hubble).

Na seção 2 apresentarei mais detalhes sobre as ERGs e os dois principais cenários para as ERG-Cs. Na seção 3 falarei mais um pouco sobre a suposta quilonova produzida no evento GW170817. Apresento alguns comentários adicionais na seção 4 e mais algumas referências na seção 5.

2. Erupção de Raios Gama

As ERGs que nos interessam aqui são as de curta duração, as ERG-Cs, convencionalmente colocadas na faixa de até 2 segundos de duração. A divisão das ERGs em termos da duração dos lampejos não é arbitrária, mas ocorre porque, dependendo da duração, o mecanismo físico a ser invocado para sua explicação é diferente. Pode ocorrer, inclusive, que existam mecanismos teóricos que competem, devido a não haver ainda suficiente clareza experimental e observacional para discriminar entre eles. Por exemplo, para o caso da ERG-C, que é o objeto de atenção aqui, existem pelo menos dois mecanismos teóricos propostos na literatura. Um deles é o da quilonova, que discutiremos na seção seguinte, e o outro, que com este compete, coloca a origem da ERG-C como devido a instabilidades e consequente dissipação de energia magnética na crosta de estrelas de nêutrons de altíssimo campo magnético, as chamadas “magnetares” (cf. An exceptionally bright flare from SGR1806-20 and the origins of short-duration gamma-ray bursts, de autoria do astrofísico K. Hurley e mais 19 coautores).

Vejamos agora o cenário da quilonova para a origem da ERG-C e porque ele depende crucialmente da confirmação do evento GW170817, através da observação de eventos semelhantes no futuro.

3. Quilonova e GW170817

1) Os modelos teóricos para a quilonova obtiveram grande sucesso nas explicações das observações em todos os comprimentos de onda eletromagnéticos (EMs) associados ao evento GW170817. Repetindo: a associação GW170817 – quilonova foi chamada de o primeiro evento multimensageiro, pois além das OGs, radiações EMs foram observadas.

2) Primeira evidência espectroscópica dos chamados processos r de nucleossíntese. Estes processos são responsáveis pela síntese de elementos químicos com massa atômica A > 30 e são previstos nos modelos de quilonova.

3) O estado final da fusão foi calculado como sendo um buraco negro (BN) com massa um pouco maior do que 2 M_☉ (☉ → Sol). No processo de formação do BN ocorreu a formação de uma estrela de nêutrons de alta massa (≈ 2 M_☉), que existiu por 0,1 segundo antes do colapso final num corpo extremamente denso e de alta gravitação (o BN). Este quadro é indicado por observações no visível e no infravermelho.

4) Prevê-se que que a emissão de ondas de rádio será novamente observada em cerca de 10 anos, quando então o material ejetado na fusão tiver se desacelerado suficientemente pela interação com o meio interestelar.

5) A suposta quilonova foi imediatamente associada ao evento GW170817 que teria ocorrido também em NGC 4993 (ver figura 1 acima). Esta associação será ou não confirmada nos próximos anos de operação dos observatórios de OGs. Em caso de confirmação o fenômeno da quilonova será fortalecido, especialmente como mecanismo de produção de ERG-Cs.

6) O sistema binário que levou à fusão foi modelado e obteve-se a separação inicial do par de ≈ 4,5 R_☉, e o tempo total até a ocorrência da quilonova foi calculado como ≈ 11 bilhões de anos (11 Gano).

7) A principal assinatura do evento foi a ERG-C. Vê-se então que a própria existência do objeto “quilonova” depende da confirmação de futuros eventos, os quais são definidos observacionalmente primariamente pela geração de OGs.

4. Comentários finais

É importante salientar que a dúvida na conexão GW170817 – quilonova resulta fundamentalmente da incerteza que existe na localização da fonte de OGs (ver figura 4 de OGs, conseguimos detectá-las?). A incerteza na localização de uma fonte astronômica é dada pela chamada “elipse de erro” no plano do céu. No caso de GW170817, a elipse de erro vale 28 graus quadrados (≈ 140 vezes a área aparente da Lua Cheia; cf. GW170817-1). Quer dizer, a fonte pode estar em qualquer ponto no interior da elipse de erro. Neste caso ela é bem menor do que as das observações de OGs anteriores do LIGO pois aqui a detecção de GW170817 foi também reivindicada pelo observatório europeu Virgo. Isto diminuiu consideravelmente a elipse de erro, como pode ser visto nas ilustrações em GW170817-2. No entanto, ela continua grande e a conexão da fonte de OGs (GW170817) com a ERG não pode ser feita de imediato e, portanto, a conexão de GW170817 com a quilonova também não pode ser feita com grande certeza. A inferência feita pelos pesquisadores do LIGO e Virgo e do grupo da quilonova em favor da conexão GW170817 – quilonova é baseada em considerações teóricas em vista das observações disponíveis. Obviamente, a elipse de erro diminuirá quando mais um observatório passar a operar, o que é esperado para os próximos anos, como mencionado abaixo. Poderemos, então, ter mais confiança na conexão se novos eventos forem detectados.

Os dois observatórios LIGO e o observatório de OGs europeu Virgo voltarão a operar em fevereiro de 2019, após os ajustes e atualizações realizados em 2018, e permanecerão operantes por 1 ano, antes da próxima atualização. Esta operação conjunta é denominada Run 3, i.e., Operação 3. A Operação 4 está prevista para 2021 e contará com mais um observatório, o japonês KAGRA. Nos próximos anos, portanto, teremos a confirmação ou não do fenômeno da quilonova.

5. Referências adicionais

Para mais informações gerais sobre a magnetar, a estrela de nêutron altamente magnetizada, ver este texto da Wikipédia.