No verão passado, o observatório de ondas gravitacionais conhecido como LIGO teve seu segundo vislumbre de duas estrelas de nêutrons se fundindo. A colisão desses objetos incrivelmente densos – os núcleos volumosos de explosões de supernovas há muito tempo – provocou estremecimentos no espaço-tempo, poderosos o suficiente para serem detectados aqui na Terra. Mas, diferentemente da primeira fusão, que atendeu às expectativas, este último evento forçou os astrofísicos a repensar algumas suposições básicas sobre o que está oculto no universo. “Temos um dilema”, disse Enrico Ramirez-Ruiz, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz.
A massa excepcionalmente alta do sistema de duas estrelas foi a primeira indicação de que essa colisão foi sem precedentes. E embora o peso das estrelas por si só não tenha sido suficiente para causar alarme, ele sugeriu as surpresas que virão.
Em um artigo recentemente publicado no site de pré-impressão científica arxiv.org, Ramirez-Ruiz e seus colegas argumentam que o GW190425, como é conhecido o sistema de duas estrelas, desafia tudo o que pensávamos que sabíamos sobre pares de nêutrons. Essa observação mais recente parece ser fundamentalmente incompatível com o entendimento atual dos cientistas de como essas estrelas se formam e com que frequência. Como resultado, os pesquisadores podem precisar repensar anos de conhecimento aceito.
Longe, mas em toda parte
Antes de 2017, quando o LIGO capturou sua primeira fusão de estrelas de nêutrons, tudo o que sabíamos sobre estrelas de nêutrons vinha de observações de espécimes relativamente próximos em nossa própria galáxia da Via Láctea. (Das 2.500 ou mais conhecidas estrelas de nêutrons, 18 coexistem em pares orbitais conhecidos como estrelas binárias de nêutrons.) O GW190425, por outro lado, está a cerca de 5.000 vias leitosas de distância.
A primeira coisa intrigante é a sua massa: o novo sistema tem uma massa total de cerca de 3,4 sóis. Todos os exemplos anteriormente conhecidos de estrelas binárias de nêutrons pesavam algo em torno de 2,6 sóis. O primeiro par de nêutrons binários do LIGO caiu exatamente nessa faixa mais baixa.
Mas a alta massa combinada é apenas o primeiro dos mistérios da fusão. Ainda mais desconcertante é a abundância inferida de grandes estrelas de nêutrons: com base na observação recente, os cientistas do LIGO estimam que esses pares pesados ??devem ser quase tão comuns quanto os sistemas de estrelas binárias mais leves que os astrônomos estudam há décadas. Os grandes pares de nêutrons devem estar em todo o universo, incluindo a nossa Via Láctea. Por que, então, eles nunca foram vistos antes?
Uma possibilidade é que essas fusões são difíceis de detectar porque ocorrem muito rapidamente.
Com um telescópio que só pode ver o uso da luz – ou seja, todos os telescópios até o surgimento do LIGO – você deve estar olhando no lugar certo, na hora certa. Um breve flash de um enorme par de nêutrons pode passar despercebido. “Se um tipo de binário se funde muito rapidamente, então, estatisticamente, é muito improvável que você consiga pegar um”, disse Salvatore Vitale, astrofísico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que faz parte da colaboração do LIGO.
LIGO altera o cálculo. É um detector de onda gravitacional omnidirecional que monitora o céu inteiro. Vitale e o restante da equipe acreditam que tropeçaram em algo praticamente invisível antes do advento da astronomia de ondas gravitacionais.
O problema mais significativo com esse excesso oculto de estrelas gigantes de nêutrons, no entanto, é que não podemos explicar por que deveria haver tantos deles.
Para iniciantes, se houver tantos pares massivos de nêutrons quanto pares mais leves, devemos esperar encontrar tantas estrelas pesadas (que as criam) quanto as estrelas mais claras. Mas esse não é o caso: os astrônomos estimam que menos de 10% de todas as estrelas são grandes o suficiente para formar estrelas de nêutrons tão massivas. “Temos evidências confusas provenientes de métodos muito diferentes”, disse Ramirez-Ruiz.
Não é aí que o mistério termina. As melhores simulações computacionais existentes da evolução estelar simplesmente não podem explicar a abundância estimada desses pares invulgarmente pesados.
Os cientistas costumam usar simulações de computador para modelar processos complicados por longos períodos de tempo. Nesse caso, os autores modelaram o ciclo de vida de objetos estelares compactos ao longo de bilhões de anos. “Você coloca um monte de estrelas e conta o código como as estrelas explodem”, disse Vitale. Então, ?você o deixa funcionar por alguns milhões ou bilhões de anos e vê qual é o resultado?.
Para fornecer uma simulação fiel do universo, o código explica os efeitos da relatividade, magnetismo, radiação gravitacional e muito mais. Também faz suposições sobre detalhes que não são totalmente compreendidos, como a quantidade de gás que cai de novo em uma estrela após uma explosão de supernova versus a quantidade perdida no espaço. Essas suposições fornecem aos pesquisadores uma ampla gama de entradas possíveis que eles podem conectar ao código, enquanto ainda permanecem dentro dos limites da plausibilidade física.
No entanto, independentemente das entradas que eles inseriram na simulação, a equipe não conseguiu produzir nem perto do número de pares pesados ??de nêutrons que o LIGO previu. “Se essa é uma estrela binária de nêutrons, ela enfrenta muitas perguntas”, disse Mohammad Safarzadeh, astrofísico de Santa Cruz que liderou a pesquisa. Como ele e seus colegas escreveram em seu artigo, uma taxa tão alta de fusões exige uma “mudança radical em nossa compreensão da explosão de supernova”.
Os pesquisadores alertam, no entanto, que as simulações de supernova são notoriamente complexas e difíceis. Os modelos que os conduzem são conhecidos por serem ?extremamente aproximados?, de acordo com Safarzadeh, ?e dizer extremamente aproximado ainda está sendo muito bom?. Vitale concorda: “É um problema muito, muito difícil de simular”. Ainda assim, uma disparidade tão acentuada entre teoria e evidência é preocupante. “É um apelo à ação”, disse Ramirez-Ruiz, que pede aos cientistas que repensem como essas estrelas se formam.
Muitos aspectos da evolução binária de estrelas são pouco compreendidos, incluindo como as estrelas trocam massa e se aproximam o suficiente para se fundirem. “Sabemos muito sobre formação e evolução estelares, mas boa parte da física relacionada à produção de binários compactos ainda é muito pouco compreendida”, disse Ben Farr, físico da Universidade de Oregon e membro da colaboração LIGO.
Como resultado, muitas suposições foram incluídas nos modelos por trás das simulações de computador. Além disso, todos os modelos existentes foram construídos com base em observações de pulsares na Via Láctea. “Temos uma população de estrelas pulsares que vemos, e todos os modelos binários de população têm como objetivo explicar essa população”, disse Ramirez-Ruiz. ?De repente, o LIGO diz, bem, que a população não é representativa da população de estrelas duplas de nêutrons. Portanto, temos que repensar o paradigma da assembléia e como essas coisas são feitas. ?
As descobertas do artigo estão pressionando os astrofísicos a reexaminar o que eles pensavam que sabiam sobre estrelas de nêutrons. “Temos que voltar à prancheta”, disse Ramirez-Ruiz, “o que para mim é muito emocionante”.
Publicado em 21/02/2020 20h48
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