Pergunte a Ethan: por que a luz chegou 1,7 segundos depois das ondas gravitacionais quando as estrelas de nêutrons se fundiram?

A fusão de duas estrelas de nêutrons na visão do artista. As distorções da estrutura do espaço-tempo representam ondas gravitacionais emitidas durante uma colisão, e raios estreitos são jatos de radiação gama que disparam alguns segundos após as ondas gravitacionais (os astrônomos os vêem como flashes de raios gama)

Em 17 de agosto, após uma jornada de 130 milhões de anos, chegou à Terra um sinal na forma de ondas gravitacionais de duas estrelas de nêutrons, movendo-se uma em direção à outra em espiral nos últimos estágios de fusão. Após a colisão das superfícies de duas estrelas, o sinal terminou abruptamente e houve silêncio. Embora esses restos de estrelas com um diâmetro de talvez apenas 20 km se movessem a uma velocidade de cerca de 30% da luz, imediatamente após a colisão não vimos nada. E apenas 1,7 s depois o primeiro sinal chegou: luz na forma de raios gama. De onde vem o atraso? Ótima pergunta feita pelo nosso leitor:

Vamos discutir a importância de uma diferença de 1,7 s entre a hora de chegada das ondas gravitacionais e o raio gama estourado durante o último evento com estrelas de nêutrons.

Vamos ver o que vimos e tentar entender de onde vem esse atraso.


Estrelas de nêutrons durante a fusão podem quase simultaneamente emitir ondas gravitacionais e sinais eletromagnéticos. Mas os detalhes da fusão são bastante vagos, e os modelos teóricos não coincidem exatamente com as observações.

Durante a aproximação das estrelas de nêutrons antes da fusão, as ondas gravitacionais se tornam mais fortes. Ao contrário da fusão de buracos negros, não há horizonte de eventos nem singularidade no centro. As estrelas de nêutrons têm uma superfície sólida, 90% dos quais consistem em nêutrons e 10% dos núcleos de outros átomos (e elétrons) localizados na superfície. Prevê-se que, na colisão de duas dessas superfícies, ocorra uma reação nuclear não controlada, resultando em:

• A liberação de uma enorme quantidade de matéria, muitas vezes maior que Júpiter em massa.
• A formação de um objeto em colapso central, provavelmente um buraco negro, e somente depois de algumas centenas de milissegundos, se falarmos das massas envolvidas no evento descrito.
• Aceleração e ejeção de material ao redor de objetos confluentes.

Sabemos que quando duas estrelas de nêutrons se fundem, cuja simulação é mostrada na figura, elas emitem jatos de raios gama e causam outros fenômenos eletromagnéticos. Mas a questão de por que a explosão de raios gama ocorreu 1,7 segundos após a fusão gravitacional ainda não deu uma resposta clara.

Graças a observações de mais de 70 telescópios e satélites nos espectros, da radiação gama às ondas de rádio, agora sabemos que é nesses processos que a maioria dos elementos pesados ​​da tabela periódica é gerada. Sabemos que, como resultado da fusão, provavelmente, uma estrela de nêutrons em rápida rotação apareceu, que entrou em colapso em um buraco negro após uma fração de segundo. E sabemos que o primeiro sinal eletromagnético dessa fusão - raios gama de alta energia - chegou 1,7 segundos após o final dos sinais gravitacionais. Em uma escala de tempo de 130 Ma, isso significa que as velocidades das ondas gravitacionais e da luz são iguais a um erro de 10 a ¹⁵ .


Nos últimos momentos da fusão, duas estrelas de nêutrons não apenas emitem ondas gravitacionais, mas também sofrem uma explosão catastrófica que responde por todo o espectro eletromagnético. A diferença de chegada entre a luz e as ondas gravitacionais nos permite aprender muito sobre o universo.

Mas por que os raios gama estão atrasados? Por que eles não vieram ao mesmo tempo que as ondas gravitacionais? Existem duas opções possíveis:

1. Os raios gama foram emitidos 1,7 segundos após o primeiro contato das superfícies das estrelas de nêutrons.
2. Os raios gama foram emitidos quase imediatamente, mas foram atrasados ​​pela passagem da matéria ao redor da cena.

O problema é que a resposta verdadeira pode vir a ser uma combinação de ambos os fatores ou uma alternativa improvável que inclui a física exótica (uma pequena diferença na velocidade das ondas gravitacionais e eletromagnéticas). Vamos ver como as duas opções podem ser reproduzidas.


Durante a aproximação em espiral e a fusão de duas estrelas de nêutrons, uma enorme quantidade de energia deve sair, além do aparecimento de elementos pesados, ondas gravitacionais e sinais eletromagnéticos

Atraso no aparecimento da radiação gama: quando duas estrelas de nêutrons colidem, elas emitem raios gama. A teoria líder nos últimos 20 anos sobre o surgimento de pequenos flashes de radiação gama no céu foi a colisão de estrelas de nêutrons - e essa teoria foi surpreendentemente confirmada ao observar o evento GW170817. Mas onde exatamente os raios gama aparecem?

• Na superfície das estrelas de nêutrons.
• Devido à colisão de matéria descartada com a matéria circundante.
• Nos núcleos das estrelas de nêutrons.

Se alguma das duas últimas opções for verdadeira, os raios gama deverão ter sido adiados. Fusão, ejeção de material, colisão com matéria circundante, emissão de matéria de alta energia pelos raios gama - tudo isso leva tempo. Se a matéria estiver localizada a uma distância considerável de uma estrela de nêutrons, por exemplo, em dezenas ou centenas de milhares de quilômetros, isso explicaria simplesmente o atraso.


Se os raios gama não aparecerem na superfície, mas dentro das estrelas de nêutrons em colisão, também deverá haver um atraso, pois a luz levará tempo para superar a espessura da estrela e chegar à superfície. As ondas gravitacionais não demoram ao passar através da matéria densa e a luz atrasa. Isso seria muito semelhante à nossa observação de uma supernova em 1987, quando os neutrinos (não retardados pela passagem pela matéria) chegaram quatro horas antes do primeiro sinal de luz, uma vez que a luz foi retardada por uma grande quantidade de matéria. Qualquer uma dessas explicações pode causar atrasos nos raios gama.


Um flash rápido de raios gama, cuja causa é considerada a fusão de estrelas de nêutrons. Um ambiente rico em gás pode atrasar a chegada de um sinal.

Emissão instantânea, mas chegada atrasada: outra opção básica. Mesmo que os raios gama sejam emitidos por um strass, eles precisam passar por um ambiente rico em matéria de uma estrela de nêutrons. E será rico em matéria, porque, devido à alta velocidade de movimento das estrelas de nêutrons e aos enormes campos magnéticos emitidos por elas, o material certamente será jogado no espaço durante sua convergência e fusão. Sua dança conjunta dura muito tempo, então muita matéria deve se reunir ao seu redor, através da qual a luz deve passar antes que chegue aos nossos olhos. Existe material suficiente para reter a luz por 1,7 segundos? Pode ser muito - e essa é outra das principais opções.


O pulsar em velas , como todos os pulsares, é um exemplo de cadáver de uma estrela de nêutrons. Muitas vezes, é cercado por gás e matéria dessa maneira, e a substância que cerca as estrelas de nêutrons participantes do GW170817 pode ser responsável pelo atraso da luz.

Para obter a resposta correta, é necessário estudar as variantes de eventos para diferentes combinações de massas: massa total de até 2,5 solar (como resultado da obtenção de uma estrela de nêutrons estável); de 2,5 a 3 massas solares (como no caso que vimos - uma estrela de nêutrons aparece temporariamente e depois se transforma em um buraco negro); mais de 3 massas solares (um buraco negro aparece imediatamente); bem como medir sinais de luz. Podemos aprender mais se determinarmos com antecedência o início da fase de abordagem em espiral e podemos direcionar os instrumentos para o ponto desejado algum tempo antes da fusão. À medida que o LIGO / Virgo e outros detectores de ondas gravitacionais ganharem e se tornarem mais sensíveis, essas ações serão cada vez melhores conosco.


Restos de uma supernova de 1987n localizada na Grande Nuvem de Magalhães a 165.000 anos-luz. O fato de os neutrinos chegarem muitas horas antes do primeiro sinal de luz nos diz mais sobre o tempo que leva para a luz penetrar nas camadas de supernova do que sobre a velocidade de um neutrino que é indistinguível da velocidade da luz

Idéias exóticas, como as diferentes velocidades de gravidade e luz, são completamente desnecessárias para explicar essa observação. O atraso de 1,7 s pode ser explicado usando várias idéias que não se afastam da física tradicional. As ondas gravitacionais simplesmente passam pela matéria sem resistência, e a luz interage com ela, sendo uma onda eletromagnética, e isso pode levar a resultados completamente diferentes. Comparado às supernovas, os raios gama que geram estrelas de nêutrons são minúsculos; portanto, para descrever esse efeito de maneira completa e precisa, será necessário entender bem como esse cataclismo ocorre em intervalos de tempo muito curtos. Os teóricos das corridas buscam entender o que está acontecendo, já temos os dados. E o próximo evento como esse pode mudar tudo.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].