Padrões em rajadas curtas de raios gama (GRBs) podem fornecer informações sobre colisões de estrelas de nêutrons.
Se você pudesse congelar um filme de duas estrelas de nêutrons colidindo uma com a outra, logo após a colisão, você testemunharia a formação de um objeto tão maciço e denso que não deveria existir: as estrelas se fundiriam momentaneamente em uma única estrela de nêutrons que é girando tão rápido que pode se segurar brevemente contra o colapso, desafiando a gravidade como Wile E. Coyote depois de cair de um penhasco.
Apenas alguns quadros depois, no entanto, a estrela desapareceria, sugada para dentro de si mesma e substituída por um buraco negro.
Infelizmente, os astrônomos têm maneiras limitadas de estudar esses objetos, chamados de estrelas de nêutrons hipermassivas (HMNSs). Isso porque, embora as estrelas de nêutrons emitam ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo – à medida que se aproximam uma da outra, os detectores de corrente não são sensíveis às frequências emitidas pelo próprio HMNS.
Mas agora, os astrônomos podem ter encontrado outro caminho para entender as estrelas de nêutrons hipermassivas.
De acordo com um novo artigo, alguns HMNSs emitem rajadas curtas de raios gama durante seus estertores de morte. E quando os pesquisadores liderados por Cecilia Chirenti, da Universidade de Maryland em College Park, analisaram 700 rajadas curtas de raios gama (GRBs), encontraram alguns casos em que os sinais não eram puramente ruído.
Em vez disso, esses GRBs tinham frequências características mais fortes do que outras, uma assinatura “consistente com uma estrela de nêutrons hipermassiva”, disse Chirenti em uma coletiva de imprensa em 9 de janeiro durante a 241ª reunião da American Astronomical Society em Seattle.
O novo estudo, publicado em 9 de janeiro na Nature, dá aos astrônomos esperança de que possam aprender mais sobre estrelas de nêutrons hipermassivas, que são as estrelas de rotação mais rápida conhecidas, bem como aprender mais sobre a dinâmica das fusões de estrelas de nêutrons em geral.
“Não há escapatória”
As estrelas de nêutrons são os objetos mais densos que podem existir, exceto os buracos negros. Eles são os restos de estrelas tão massivas que explodem no final de suas vidas como supernovas, mas não tão massivas que imediatamente colapsam em buracos negros.
Dado que a maioria das estrelas do universo está em sistemas estelares binários ou múltiplos, não raramente, um par de estrelas binárias pode terminar suas vidas como estrelas de nêutrons. E com o tempo, eles podem espiralar um em direção ao outro e colidir.
Quando essas colisões catastróficas ocorrem, elas emitem raios gama que podem ser detectados por telescópios depois de viajar por bilhões de anos. Os mashups estelares também produzem ondas gravitacionais, algumas das quais podem ser detectadas por instalações como o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) nos EUA e Virgo na Europa. Com base nessas observações, os cientistas atualmente acreditam que, se a estrela de nêutrons resultante for mais massiva do que aproximadamente 2,2 vezes a massa do Sol, ela entrará em colapso em um buraco negro.
Se não for muito massiva, uma estrela de nêutrons hipermassiva pode sobreviver – mas apenas por uma fração de segundo.
“Não há escapatória”, disse Chirenti. “Ele apenas fica lá por um breve período porque está girando muito rápido.” (Os astrônomos viram um que sobreviveu por quase um dia, mas esse é excepcional.)
Lançando luz sobre estrelas de nêutrons hipermassivas
Para tentar obter mais informações sobre essas estrelas de vida curta, Chirenti e sua equipe observaram que os modelos de computador prevêem que o brilho dos raios gama de um HMNS pode piscar alguns milhares de vezes por segundo. Portanto, ao determinar a taxa precisa dessa oscilação, os astrônomos poderiam obter informações sobre o tamanho e a taxa de rotação do HMNS. Mas até o momento, nenhuma dessas oscilações de raios gama foi identificada.
Assim, Chirenti e seus colegas vasculharam dados de arquivo de três observatórios de raios gama baseados no espaço da NASA: o Fermi Gamma-Ray Space Telescope e o Neil Gehrels Swift Observatory (ambos em operação hoje), bem como o Compton Gamma Ray Observatory.
Como um HMNS ainda está “tremendo e balançando”, como disse Chirenti, uma estrela de nêutrons hipermassiva produz oscilações quase periódicas (QPOs). Isso significa que, em vez de piscar uniformemente em uma única frequência, há uma lavagem de frequências centradas em torno das frequências de pico.
Chirenti compara isso a ouvir um diapasão emitir uma única frequência limpa versus ouvir uma orquestra afinar seus instrumentos antes de um concerto: Nem tudo está totalmente afinado, mas você ainda pode distinguir alguns tons mais fortes do que outros.
Dos mais de 700 eventos analisados, a equipe encontrou QPOs em dois deles, designados GRB 910711 e GRB 931101B. Ambos foram detectados pelo Compton, que a NASA operou durante a década de 1990 e saiu de órbita em 2000. Apesar da idade de Compton, para este estudo, “era um instrumento incrível por causa de sua grande área de detecção e grande capacidade de temporização”, disse Chirenti.
Sua análise descobriu que as oscilações mais fortes estavam em uma frequência de aproximadamente 2.600 vezes por segundo. De acordo com as simulações, isso sugere que o HMNS responsável está girando pelo menos 1.300 vezes por segundo.
No entanto, essa taxa de rotação é apenas um limite inferior: assim como a luz é desviada para o vermelho pela expansão do universo, a frequência da oscilação quase periódica pode ter sido maior originalmente. Mas mesmo que estivesse muito próximo, o HMNS ainda estaria girando quase duas vezes mais rápido que o pulsar mais rápido conhecido, uma classe de estrelas de nêutrons girando rapidamente.
“Esses resultados são muito importantes, pois preparam o terreno para medições futuras de estrelas de nêutrons hipermassivas por observatórios de ondas gravitacionais”, disse Chryssa Kouveliotou, presidente do departamento de física da George Washington University em Washington, que não participou do estudo, em um comunicado de imprensa da NASA.
Chirenti espera que, até a década de 2030, detectores de ondas gravitacionais mais avançados sejam capazes de estudar as ondulações do espaço-tempo produzidas por estrelas de nêutrons hipermassivas.
“Enquanto isso”, diz Chirenti, “continuaremos procurando por eles em raios gama”.
Publicado em 19/01/2023 21h55
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