GW170817: quando as ondas gravitacionais vieram acompanhadas de um clarão de raios gama

Ondas gravitacionais são flutuações do espaço-tempo produzidas por fenômenos cósmicos poderosos. Em GW170817, os detectores terrestres LIGO, nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália, registraram um sinal associado à fusão de duas estrelas de nêutrons. O satélite Fermi e o observatório espacial INTEGRAL também registraram uma breve explosão de raios gama, denominada GRB 170817A. Foi a primeira associação observada entre ondas gravitacionais e luz de alta energia provenientes da mesma fonte cósmica.

A detecção desencadeou observações de acompanhamento com telescópios terrestres e espaciais. Cerca de meio dia depois, observatórios ópticos encontraram uma nova fonte perto do centro da galáxia NGC 4993. As observações posteriores detectaram sinais em outras faixas, da luz ultravioleta, visível e infravermelha aos raios X e às ondas de rádio. Assim, o evento pôde ser estudado por meio de observações complementares, e não apenas com base no sinal gravitacional ou na explosão de raios gama.

Uma coincidência entre sinais diferentes

Um artigo da equipe do INTEGRAL, publicado em 16 de outubro de 2017 no The Astrophysical Journal Letters, informa que o instrumento SPI-ACS detectou GRB 170817A cerca de dois segundos após o fim do evento de ondas gravitacionais. O artigo indica relação sinal-ruído de 4,6 para a detecção do INTEGRAL. Também calcula significância de 3,2 sigma para a associação entre o sinal do INTEGRAL e GW170817, e de 4,2 sigma para a associação entre as detecções do Fermi-GBM e do INTEGRAL. Esses valores se referem a comparações estatísticas diferentes e não são medidas intercambiáveis de uma única associação.

A comparação dos horários de chegada dos raios gama ao Fermi e ao INTEGRAL ajudou a restringir a localização da explosão. Segundo o artigo, acrescentar a observação do INTEGRAL reduziu por um fator de 1,8 a área final de localização do Fermi no nível de 90%. O sinal gravitacional foi registrado pelos dois detectores LIGO e pelo Virgo, cuja resposta foi menor. A Agência Espacial Europeia (ESA) descreveu a região do céu indicada pelas medições como tendo 28 graus quadrados e situou a fonte a cerca de 130 milhões de anos-luz.

O que o INTEGRAL registrou e quais limites condicionaram a medida

INTEGRAL, cujo nome completo é INTernational Gamma-ray Astrophysics Laboratory, é um observatório espacial de raios gama da ESA. A equipe estimou a fluência da explosão em (1,4 ± 0,4 ± 0,6) × 10⁻⁷ erg cm⁻² na faixa de 75 a 2000 keV. O primeiro termo de incerteza é estatístico, no nível de confiança de 1 sigma; o segundo é sistemático e corresponde à incerteza do modelo espectral e da resposta instrumental.

O artigo observa que a estimativa depende de hipóteses sobre modelos espectrais, pois o SPI-ACS não dispõe de resolução energética. Também especifica um limite instrumental: devido ao limiar inferior, o SPI-ACS não podia observar emissões abaixo de aproximadamente 100 keV. Isso importa porque GRB 170817A era uma explosão relativamente «suave», com a maior parte de sua energia abaixo desse limiar. O artigo também menciona um pulso inicial breve e mais duro, com emissão de pelo menos até 200 keV. Portanto, a medição do SPI-ACS deve ser considerada à luz tanto da faixa que o instrumento podia observar quanto das hipóteses usadas para estimar a fluência.

Depois da detecção inicial, o INTEGRAL continuou observando a região e realizou acompanhamento direcionado, iniciado 19,5 horas após o evento e com duração de 5,4 dias. O artigo apresenta um limite superior para sinais eletromagnéticos em uma ampla faixa, de 3 keV a 8 MeV, e restringe o fluxo de um possível pós-brilho de raios gama suaves no nível de probabilidade de 99%. Para esse cálculo, os autores utilizaram uma distribuição de duração das explosões baseada em trabalhos anteriores. A equipe também informa que as observações de acompanhamento descritas não detectaram outras emissões persistentes nem outras explosões na direção da contraparte óptica.

NGC 4993 e as observações posteriores

Segundo a ESA, a fonte óptica encontrada perto do centro de NGC 4993 estava a uma distância compatível com a indicada pelo LIGO e pelo Virgo. Campanhas posteriores observaram sinais no ultravioleta, na luz visível e no infravermelho, e depois em raios X e ondas de rádio. Cada faixa acrescentou uma parte diferente do registro observacional do evento.

A ESA descreve o fenômeno como uma quilonova: material rico em nêutrons ejetado na fusão interage com o ambiente ao redor, e elementos pesados se formam nesse processo. A agência apresenta essa explicação no contexto das observações posteriores em diferentes faixas e do sinal gravitacional; ela não decorre apenas da medição de raios gama do INTEGRAL.

A agência também afirma que, entre as explosões curtas com distância medida, esta foi a mais próxima e a mais fraca. Como possível explicação para suas propriedades, a ESA propõe que os jatos produzidos na colisão não apontavam diretamente para a Terra. Trata-se de uma interpretação das observações, não de uma medição direta da orientação dos jatos.

Por que combinar os observatórios foi importante

Antes de GW170817, as detecções confirmadas de ondas gravitacionais descritas no relato da ESA haviam sido atribuídas a pares de buracos negros em fusão. A agência explica que outras colisões cósmicas, inclusive as que envolvem estrelas de nêutrons, poderiam produzir ondas gravitacionais e luz em diferentes partes do espectro eletromagnético. GW170817 forneceu a primeira associação observada entre ondas gravitacionais e luz de alta energia provenientes da mesma fonte.

Os instrumentos contribuíram com observações distintas: LIGO e Virgo registraram as ondas gravitacionais; o Fermi detectou GRB 170817A, e o SPI-ACS, a bordo do INTEGRAL, registrou um sinal coincidente de raios gama. A comparação dos horários de chegada aos satélites ajudou a aprimorar a localização do Fermi. Depois, observatórios ópticos identificaram a fonte em NGC 4993, e a campanha acompanhou sua evolução em outras faixas. Essa sequência mostra o valor de combinar medições sem confundir a contribuição de cada instrumento.

Resultados e limites das evidências

A interpretação conjunta relaciona GW170817, GRB 170817A e a fonte óptica em NGC 4993 à fusão de duas estrelas de nêutrons. O artigo do INTEGRAL relata a detecção da explosão, a melhora na localização do Fermi com a inclusão da observação do satélite e os limites obtidos durante o acompanhamento. O relato da ESA oferece o contexto das observações posteriores e descreve a interpretação como uma quilonova.

Os números precisam ser diferenciados pelo que medem. A relação sinal-ruído de 4,6 caracteriza a detecção do INTEGRAL; as significâncias de 3,2 e 4,2 sigma se referem a associações estatísticas distintas. A fluência estimada inclui incertezas estatísticas e sistemáticas, e a sensibilidade inferior do SPI-ACS não abrangia emissões abaixo de aproximadamente 100 keV. O limite para um possível pós-brilho, por sua vez, depende das hipóteses de duração das explosões usadas na análise. A orientação proposta para os jatos é uma explicação, não uma observação direta.

GW170817 reuniu em um mesmo quadro sinais gravitacionais e eletromagnéticos associados a um único evento. O INTEGRAL acrescentou um registro de raios gama e ajudou a refinar a localização; as observações posteriores de NGC 4993 ampliaram o estudo do fenômeno. As conclusões sobre o sinal devem ser consideradas à luz dos limites instrumentais e das incertezas explicitadas na análise.