Um fenômeno inteiramente novo no Universo foi revelado hoje: a espiral da morte e a fusão dos dois objetos mais extremos do Universo – uma estrela de nêutrons e um buraco negro. As observações foram oficialmente anunciadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), nos Estados Unidos, e pelo observatório de ondas gravitacionais de Virgem, na Itália. Um marco para a astronomia de ondas gravitacionais, a descoberta agora permitirá que os pesquisadores entendam melhor a natureza do contínuo espaço-tempo e os blocos de construção da matéria.
A primeira observação da fusão estrela de nêutrons com buraco negro foi feita em 5 de janeiro de 2020, quando ondas gravitacionais – minúsculas ondulações no tecido do espaço e do tempo – foram detectadas a partir do evento de colisão de LIGO e Virgo. Quando as massas colidem no espaço, elas sacodem todo o Universo, enviando ondas gravitacionais, como ondulações na superfície de um lago. A análise detalhada das ondas gravitacionais revela que a estrela de nêutrons tinha cerca de duas vezes a massa do Sol, enquanto o buraco negro tinha cerca de nove vezes a massa do Sol. A fusão em si aconteceu há cerca de um bilhão de anos, antes da existência dos primeiros dinossauros, mas as ondas gravitacionais acabaram de atingir a Terra.
Notavelmente, em 15 de janeiro de 2020, outra fusão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro foi observada por ondas gravitacionais. Esta estrela de nêutrons e o buraco negro também colidiram há cerca de um bilhão de anos, mas eram um pouco menos massivos: a estrela de nêutrons tinha cerca de uma vez e meia mais massa que o Sol, enquanto o buraco negro tinha cerca de cinco vezes e meia mais massa .
O Dr. Rory Smith, astrofísico do Centro de Excelência para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) da Monash University, que co-liderou a equipe internacional de cientistas nesta descoberta, explica: “É um marco incrível para o campo nascente da gravitação astronomia de ondas. Estrelas de nêutrons se fundindo com buracos negros estão entre os fenômenos mais extremos do Universo. Observar essas colisões abre novos caminhos para aprender sobre a física fundamental, bem como como as estrelas nascem, vivem e morrem.”
Milhares de cientistas internacionais se uniram para essa primeira detecção mundial, com a Austrália desempenhando um papel de liderança. “Do projeto e operação do detector à análise de dados, os cientistas australianos estão trabalhando nas fronteiras da astronomia”, acrescenta Smith. O pipeline SPIIR, na University of Western Australia (UWA) – o único pipeline de busca de ondas gravitacionais em tempo real da Austrália – detectou um evento de estrela-buraco negro de nêutrons em tempo real pela primeira vez. O SPIIR é um dos cinco pipelines que alerta astrônomos ao redor do mundo em segundos de eventos gravitacionais, para que eles possam tentar capturar o flash potencial de luz emitido quando uma estrela de nêutrons é dilacerada por seu buraco negro companheiro.
O telescópio Zadko, também baseado na UWA, foi uma das instalações australianas que buscou uma contraparte para o evento de fusão e, apesar de uma busca bem organizada, a equipe liderada pelo Dr. Bruce Gendre e Eloise Moore não conseguiu garantir uma fonte localizada . “Durante a próxima corrida de observação, muitos mais desses eventos são esperados, fornecendo mais oportunidades para o SPIIR capturá-los em tempo real e para os astrônomos observarem a luz desses eventos extremos”, disse a pesquisadora de pós-doutorado do OzGrav, Dra. Fiona Panther (UWA )
“Observar uma fusão estrela de nêutrons com buraco negro preenche outra peça que faltava em nossa coleção!” diz o pesquisador de pós-doutorado do OzGrav, Dr. Daniel Brown, da Universidade de Adelaide. “A experiência e a tecnologia da OzGrav desempenharam um papel crucial no aprimoramento do desempenho dos detectores LIGO para permitir essas novas medições fascinantes. Pesquisadores e estudantes passaram mais de 1000 dias nos locais do LIGO durante a última execução de observação instalando novo hardware e ajustando o desempenho. Uma contribuição importante foi a instalação de um novo hardware para gerar o que é conhecido como “luz comprimida”, que é um estado quântico especial de luz que reduz o ruído em nossas medições. O princípio da incerteza de Heisenberg sugere que há um limite para a sensibilidade que podemos tornar os detectores, mas usando a luz comprimida podemos contorná-lo.”
Buracos negros e estrelas de nêutrons são dois dos objetos mais extremos já observados no Universo – eles nascem da explosão de estrelas massivas no final de suas vidas. As estrelas de nêutrons típicas têm uma massa de uma vez e meia a massa do Sol, mas toda essa massa está contida em uma estrela extremamente densa, do tamanho de uma cidade. Uma colher de chá de uma estrela de nêutrons pesa tanto quanto toda a humanidade.
A pesquisadora de pós-doutorado do OzGrav, Dra. Meg Millhouse, da Universidade de Melbourne, explica: “A matéria nas estrelas de nêutrons é muito mais densa do que qualquer coisa que possamos criar em laboratórios na Terra. Esta nova observação é uma oportunidade de aprender mais sobre como a matéria se comporta nessas condições extremas.”
Estrelas de nêutrons e buracos negros orbitam em torno uns dos outros a cerca de metade da velocidade da luz antes de colidirem e se fundirem. Isso coloca a estrela de nêutrons sob tensão extraordinária, fazendo com que ela se estique e se deforme ao se aproximar do buraco negro. O quanto uma estrela de nêutrons pode esticar depende do tipo de matéria de que é feita. A quantidade de extensão da estrela pode ser decodificada a partir das ondas gravitacionais, que por sua vez nos informa sobre o tipo de material de que são feitas.
Os buracos negros são objetos ainda mais densos do que as estrelas de nêutrons: eles têm muita massa, normalmente pelo menos 3 vezes a massa do nosso Sol, em uma pequena quantidade de espaço. Os buracos negros contêm um “horizonte de eventos” em sua superfície: um ponto sem retorno do qual nem mesmo a luz pode escapar.
“Os buracos negros são uma espécie de enigma cósmico”, explica Smith. “As leis da física como as entendemos quebram quando tentamos entender o que está no coração de um buraco negro. Esperamos que, ao observar ondas gravitacionais de buracos negros se fundindo com estrelas de nêutrons, ou outros buracos negros, comecemos a desvendar o mistério desses objetos.”
Os pares de estrelas de nêutrons e buracos negros foram previstos pelos teóricos durante décadas, mas há muito evitam a detecção. Desde sua primeira detecção em 1975, muitos pares de estrelas de nêutrons foram encontrados, mas nunca uma estrela de nêutrons orbitando um buraco negro.
“Esta é uma confirmação de uma previsão de longa data da teoria da evolução estelar binária que previu que esses sistemas deveriam existir!” explica o Dr. Simon Stevenson, pesquisador de pós-doutorado da OzGrav na Swinburne University of Technology.
“Descobrimos que cerca de um par de estrela de nêutrons-buracos negros se funde para cada dez pares de estrelas de nêutrons. Isso aumenta a possibilidade de observar uma estrela de nêutrons-buraco negro contendo um pulsar – uma estrela de nêutrons em rotação rápida e pulsando ondas de rádio – em nossa própria Via Láctea usando radiotelescópios como o radiotelescópio Australian Parkes e o futuro Square Kilometer Array “, diz o Dr. Stevenson.
Às vezes, a colisão de estrelas de nêutrons e buracos negros pode produzir algumas das explosões mais brilhantes e poderosas do Universo. Astrônomos em todo o mundo usaram telescópios, como o telescópio SkyMapper no centro de NSW, para vasculhar o céu noturno em busca de quaisquer flashes de luz associados a esses dois eventos – infelizmente, nenhum foi encontrado desta vez.
“Teria sido tão emocionante para o SkyMapper ajudar a definir a contrapartida visível de um desses eventos. Infelizmente, foram as nuvens que se alinharam, em vez das estrelas”, disse o Dr. Christopher Onken, pesquisador e gerente de operações do SkyMapper da da Australian National University. “Na próxima vez que uma fusão estrela de nêutrons com buraco negro for descoberta com ondas gravitacionais, o SkyMapper terá um céu claro e escuro para procurar o flash de luz. Quando finalmente encontrarmos um, será um nova maneira maravilhosa de aprender sobre as propriedades físicas das estrelas mais densas do Universo. “
Publicado em 30/06/2021 13h13
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