Uma das melhores coisas de ser um astrônomo é ser capaz de descobrir algo novo sobre o universo. Na verdade, talvez a única coisa melhor seja descobri-lo duas vezes. E isso é exatamente o que meus colegas e eu fizemos, ao fazer duas observações separadas, com apenas dez dias de intervalo, de um tipo inteiramente novo de fenômeno astronômico: uma estrela de nêutrons circulando um buraco negro antes de ser engolida.
As duas observações foram feitas em janeiro de 2020, pelo Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) e pelo Virgo Observatory, ambos detectando ondas gravitacionais do cosmos distante.
Após 18 meses de análise meticulosa, nossas descobertas foram publicadas em 29 de junho de 2021, no The Astrophysics Journal Letters. As novas observações abrem novos caminhos para estudar o ciclo de vida das estrelas, a natureza do espaço-tempo e o comportamento da matéria em pressões e densidades extremas.
A primeira observação de um sistema estrela de nêutrons-buraco negro foi feita em 5 de janeiro de 2020. LIGO e Virgo observaram ondas gravitacionais – distorções na própria estrutura do espaço-tempo – produzidas pelos 30 segundos finais da órbita de morte da estrela de nêutrons e buraco negro, seguido por sua colisão inevitável. A descoberta é denominada GW200105.
Surpreendentemente, apenas dez dias depois, LIGO e Virgo detectaram ondas gravitacionais de uma segunda colisão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Este evento é denominado GW200115. Ambas as colisões aconteceram há cerca de 900 milhões de anos, muito antes do aparecimento dos primeiros dinossauros na Terra.
Estrelas de nêutrons e buracos negros estão entre os objetos mais extremos do universo. Eles são as relíquias fósseis de estrelas mortas massivas. Quando uma estrela com mais de oito vezes a massa do Sol fica sem combustível, ela sofre uma explosão espetacular chamada supernova. O que resta pode ser uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.
As estrelas de nêutrons têm tipicamente entre 1,5 e 2 vezes a massa do sol, mas são tão densas que toda a sua massa é compactada em um objeto do tamanho de uma cidade. Nessa densidade, os átomos não podem mais sustentar sua estrutura e se dissolvem em um fluxo de quarks e glúons livres: os blocos de construção de prótons e nêutrons.
Os buracos negros são ainda mais extremos. Não há limite superior para a massa que um buraco negro pode ter, mas todos os buracos negros têm duas coisas em comum: um ponto sem retorno em sua superfície chamado de “horizonte de eventos”, do qual nem mesmo a luz pode escapar; e um ponto em seu centro chamado de “singularidade”, no qual as leis da física como as entendemos se quebram.
É justo dizer que os buracos negros são um enigma. Um dos santo graal da física e astronomia do século 21 é encontrar uma compreensão mais profunda das leis da natureza, observando esses objetos estranhos e extremos.
Buracos negros engolem estrelas de nêutrons
Há muito se pensa que estrelas de nêutrons orbitando companheiros de buracos negros existem. LIGO e Virgo estavam procurando por eles por mais de uma década, mas eles permaneceram indefinidos até agora.
Então, por que estamos tão confiantes de que agora não vimos um desses sistemas, mas dois?
Quando LIGO e Virgem observam ondas gravitacionais, a primeira pergunta em nossas mentes é “o que as causou?” Para descobrir isso, usamos duas coisas: nossos dados de observação e simulações de supercomputadores de diferentes tipos de eventos astronômicos que poderiam explicar esses dados de forma plausível.
Ao comparar as simulações com nossas observações reais, procuramos as características que melhor correspondem aos nossos dados, nos concentrando nas prováveis e descartando as improváveis.
Para a primeira descoberta (GW200105), determinamos que a fonte mais provável das ondas gravitacionais eram as poucas órbitas finais, e eventual colisão, entre um objeto com cerca de 8,9 vezes a massa do sol, com um objeto em torno de 1,9 vezes a massa de o sol. Dadas as massas envolvidas, a explicação mais plausível é que o objeto mais pesado é um buraco negro e o mais leve é uma estrela de nêutrons.
Da mesma forma, a partir do segundo (GW200115), determinamos que sua fonte mais provável foram as poucas órbitas finais e a colisão de um buraco negro de 5,7 massas solares com uma estrela de nêutrons de 1,5 massa solar.
Não há nenhuma prova definitiva de que os objetos mais leves são estrelas de nêutrons e, em princípio, eles poderiam ser buracos negros muito leves, embora consideremos essa explicação improvável. De longe, a melhor hipótese é que nossas novas observações são consistentes com a fusão de estrelas de nêutrons e buracos negros.
Caça fóssil estelar
Nossas descobertas têm várias implicações intrigantes. Os sistemas estrela-buraco negro de nêutrons nos permitem juntar as peças da história evolutiva das estrelas. Astrônomos de ondas gravitacionais são como caçadores de fósseis estelares, usando as relíquias de estrelas explodidas para entender como estrelas massivas se formam, vivem e morrem.
Fazemos isso há vários anos com as observações de LIGO / Virgo de pares de buracos negros e pares de estrelas de nêutrons. Os pares mais raros recém-descobertos, contendo um de cada, são peças fascinantes do registro fóssil estelar.
Pela primeira vez, medimos diretamente a taxa na qual as estrelas de nêutrons se fundem com os buracos negros: achamos que provavelmente haverá dezenas ou centenas de milhares dessas colisões em todo o universo por ano. Com mais observações, mediremos a taxa com mais precisão.
O que acontece com as estrelas de nêutrons depois de serem engolidas? Agora, estamos realmente olhando para as leis da natureza aumentadas para 11. Quando as estrelas de nêutrons se fundem com os buracos negros, elas são deformados, imprimindo informações sobre sua forma exótica de matéria nas ondas gravitacionais que observamos na Terra.
Isso pode revelar a composição das estrelas de nêutrons, que por sua vez nos informa sobre como os quarks e os glúons se comportam em pressões e densidade extremas. Não nos diz o que está acontecendo por trás do horizonte de eventos do buraco negro, embora outro aspecto de nossas descobertas é que podemos procurar por dicas de nova física em buracos negros nos sinais de ondas gravitacionais.
Quando LIGO e Virgem retomarem a observação em meados de 2022, após uma atualização para aumentar ainda mais sua sensibilidade, veremos mais colisões entre estrelas de nêutrons e buracos negros. Na próxima década, esperamos acumular milhares de detecções de ondas gravitacionais.
Com o tempo, esperamos reunir as leis da natureza que nos ajudarão a entender o funcionamento interno dos objetos mais extremos e impenetráveis do universo.
Rory Smith, professor de astrofísica, Monash University
Resumindo: o que acontece quando um buraco negro engole uma estrela de nêutrons nunca foi observado, apenas especulado, até 2020. Então os astrônomos mediram as ondas gravitacionais de dois desses eventos, com apenas 10 dias de intervalo!
Publicado em 02/07/2021 08h05
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