Os astrônomos ainda não testemunharam uma colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, mas eles prevêem que esse choque provocaria grandes quantidades de energia, mas, inesperadamente, pode não gerar luz detectável, segundo um novo estudo.
Essas descobertas revelam como os principais detalhes sobre fusões entre buracos negros e estrelas de nêutrons, como a quantidade de luz detectável e a massa dos objetos em colisão, podem lançar luz sobre os fatores contribuintes por trás das fusões, como a dinâmica que levou esses smashups a acontecer. .
Buracos negros e estrelas de nêutrons são cadáveres de estrelas que morreram em explosões catastróficas conhecidas como supernovas, explosões que podem fazer uma estrela ofuscar brevemente todas as outras estrelas de sua galáxia. Quando uma estrela se torna supernova, o núcleo de seus restos se desmorona sob a força de sua própria força gravitacional. Se esse remanescente for suficientemente grande, ele pode formar um buraco negro, que tem uma gravidade tão poderosa que nem mesmo a luz pode escapar dele. Um núcleo menos massivo formará uma estrela de nêutrons, assim chamada porque sua gravidade é forte o suficiente para esmagar prótons junto com elétrons para formar nêutrons.
Até agora, os cientistas testemunharam fusões de buracos negros com outros buracos negros e fusões de estrelas de nêutrons com outras estrelas de nêutrons. Agora, os astrônomos aguardam a primeira detecção de um buraco negro que se funde com uma estrela de nêutrons – uma colisão que pode gerar uma série de insights sobre a evolução das estrelas e a teoria da relatividade geral de Einstein, a melhor descrição de como a gravidade funciona.
Os pesquisadores têm duas maneiras de testemunhar essas fusões gigantes. Eles podem procurar os tipos de luz ou radiação eletromagnética que as colisões emitem, incluindo ondas de rádio, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioleta, raios X e raios gama. Ou eles podem tentar detectar ondulações no tecido do espaço e do tempo, conhecidas como ondas gravitacionais.
Atualmente, os cientistas têm uma sólida estrutura teórica de como seria uma fusão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro se os dois objetos tivessem nascido de estrelas binárias (pares de estrelas que orbitam entre si) em relativo isolamento de qualquer outra coisa ao seu redor.
“As duas estrelas passam por seus estágios evolutivos se influenciando – por exemplo, compartilhando um envelope comum [nuvem de gás], transferindo matéria de uma para outra [e] aumentando ou diminuindo suas distâncias mútuas”, autor do estudo Manuel Arca Sedda, um astrofísico da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, disse ao Space.com.
Pesquisas anteriores sugeriram que fusões entre buracos negros e estrelas de nêutrons podem ocorrer até 100 vezes por ano por bilhão de parsecs cúbicos – um volume equivalente a cerca de 34,7 bilhões de anos-luz cúbicos.
No entanto, ainda há muita incerteza sobre como essas estrelas mortas podem interagir quando estão cercadas por estrelas em um denso aglomerado de até milhões de estrelas. Agora, a Arca Sedda considera que esse cenário pode ser significativamente diferente de fusões isoladas.
Arca Sedda realizou 240.000 simulações em computador de como pares de estrelas de nêutrons e buracos negros se comportavam em densos aglomerados. Ele se concentrou em cenários em que um par binário constituído por uma estrela de nêutrons e uma estrela companheira teve um encontro com um buraco negro, e onde um buraco negro e uma estrela companheira tiveram um encontro com uma estrela de nêutrons. Ele variou as massas e órbitas de todos esses objetos, bem como as propriedades básicas das outras estrelas do aglomerado, como sua composição e velocidade elementares.
Uma descoberta incomum foi que, em densos aglomerados, um buraco negro e uma estrela de nêutrons poderiam se fundir sem gerar luz detectável, embora a fusão ainda gerasse um número extraordinário de ondas gravitacionais. Isso pode acontecer quando uma estrela de nêutrons mergulha em um buraco negro sem se transformar em fragmentos quentes e brilhantes. Esse cenário é mais fácil quando o buraco negro tem mais de 10 vezes a massa do sol – grande o suficiente para engolir a estrela de nêutrons.
Outra maneira que essas fusões em grupos densos diferem das fusões isoladas é que elas geralmente possuem buracos negros mais pesados, com média de mais de 20 vezes a massa do sol. Em comparação, em fusões isoladas entre buracos negros e estrelas de nêutrons, os buracos negros costumam ter cerca de sete vezes a massa do sol e, em geral, não mais que 20 massas solares, de acordo com um estudo separado publicado na revista Monthly Notices of the Sociedade Astronômica Real em 2018.
Essas descobertas sugerem que se fusões entre buracos negros e estrelas de nêutrons ocorrerem em densos aglomerados, elas teriam qualidades únicas que os cientistas poderiam usar para diferenciar essas fusões além de fusões isoladas, observou o estudo. Observatórios de ondas gravitacionais, como a missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna) da Agência Espacial Européia, que está programada para ser lançada em 2034, poderão detectar essas fusões em aglomerados densos se elas acontecerem tão longe da Terra quanto a galáxia de Andrômeda, o vizinho galáctico mais próximo da Via Láctea. No futuro, observatórios de ondas gravitacionais mais avançados, por outro lado, podem ser sensíveis a frequências mais altas e, portanto, podem detectar fusões mais próximas.
No futuro, a Arca Sedda planeja modelar um aglomerado de estrelas pesadas com cerca de alguns milhões de estrelas, “respondendo por todas as estrelas simultaneamente e verificando a formação de fusões de nêutrons estrela-buraco negro”, disse ele. No entanto, ele observou que será um empreendimento gigantesco. “Até agora”, disse Arca Sedda, “existem apenas cinco simulações que representam 1 milhão de estrelas no mundo”.
Arca Sedda detalhou suas descobertas on-line em 5 de março na revista Communications Physics.
Publicado em 14/03/2020 12h30
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