As frequências oscilantes de duas explosões curtas de raios gama são a melhor evidência até agora para a formação de estrelas de nêutrons hipermassivas ‘impossíveis’ que podem desafiar brevemente a gravidade antes de entrar em colapso para formar um buraco negro.
Uma estrela de nêutrons se forma quando uma grande estrela fica sem combustível e explode, deixando para trás um remanescente superdenso que pode compactar a massa do sol no espaço de uma cidade. Normalmente, uma estrela de nêutrons pode conter apenas um pouco mais de duas vezes a massa do sol antes de sofrer um colapso gravitacional para formar um buraco negro. No entanto, quando duas estrelas de nêutrons regulares em um sistema binário se fundem, suas massas combinadas podem exceder esse limite – mas apenas brevemente, e o estágio é difícil de detectar.
“Precisamos começar com duas estrelas de nêutrons leves no binário para formar uma estrela de nêutrons hipermassiva, caso contrário, haveria um colapso direto para um buraco negro”, disse Cecilia Chirenti, que liderou a pesquisa, ao Space.com. Chirenti é astrofísico da Universidade de Maryland, do Goddard Space Flight Center da NASA em Maryland e do Centro de Matemática, Computação e Cognição da Universidade Federal do ABC no Brasil.
Quando estrelas de nêutrons emparelhadas colidem, elas liberam uma explosão de luz chamada kilonova, uma explosão de ondas gravitacionais e uma explosão curta de raios gama (GRB), que é uma explosão de raios gama que normalmente dura menos de dois segundos. E se, como prevêem as simulações de computador, estrelas de nêutrons hipermassivas podem se formar inicialmente antes de entrar em colapso em um buraco negro, a evidência para esses corpos que desafiam a gravidade pode ser encontrada em oscilações inexplicáveis na frequência dos raios gama.
A equipe de Chirenti vasculhou os registros de mais de 700 GRBs curtos para encontrar dois GRBs curtos que se destacavam como diferentes. Esses dois GRBs foram detectados pelo Burst and Transient Source Experiment (BATSE) no agora aposentado satélite Compton Gamma-Ray Observatory da NASA no início dos anos 90. Denominados GRB 910711 e GRB 931101B, ambos os eventos exibiram oscilações rítmicas um tanto (mas não precisas) na frequência de seus raios gama.
As simulações preveem que essas oscilações quase periódicas seriam um resultado natural da formação de uma estrela de nêutrons hipermassiva, que teria uma massa entre 2,5 e 4 massas solares. Uma estrela de nêutrons tão hipermassiva não entraria em colapso imediatamente porque diferentes partes da estrela de nêutrons giram em taxas muito diferentes, o que evita o colapso.
No entanto, uma estrela de nêutrons hipermassiva também não seria totalmente estável. O material em sua superfície mudaria, perturbando a orientação dos pólos magnéticos da estrela, que emitem os jatos de raios gama, de maneira instável. Pesquisas anteriores por oscilações GRB não deram certo porque procuravam exclusivamente por oscilações periódicas; A equipe de Chirenti percebeu que as propriedades dinâmicas de uma estrela de nêutrons hipermassiva levariam a oscilações quase periódicas. Os dois candidatos que eles identificaram, GRB 910711 e GRB 931101B, se encaixam no projeto.
E uma estrela de nêutrons hipermassiva ainda não viverá muito. As ondas gravitacionais emitidas durante a fusão roubam da estrela de nêutrons hipermassiva parte de seu momento angular (rotacional), reduzindo sua rotação o suficiente para que a gravidade assuma o controle. “De acordo com as simulações, a estrela de nêutrons hipermassiva estará girando rapidamente, talvez perdendo matéria e oscilando antes de colapsar em um buraco negro com um disco de acreção”, disse Chirenti.
O tempo de vida de uma estrela de nêutrons hipermassiva seria de várias centenas de milissegundos. Isso parece um tempo muito curto, mas considere que as estrelas de nêutrons hipermassivas seriam as estrelas de rotação mais rápida do universo, completando uma revolução em 1,5 milissegundos ou menos. Uma estrela de nêutrons hipermassiva poderia girar várias centenas de vezes antes de entrar em colapso.
Embora encontrar apenas dois candidatos em uma amostra de mais de 700 GRBs curtos possa indicar que estrelas de nêutrons hipermassivas podem ser raras, Chirenti não vê dessa forma.
“Pode haver outros aspectos relacionados à geração do GRB que podem dificultar a detecção da assinatura de uma estrela de nêutrons hipermassiva”, disse ela.
A nova pesquisa representa apenas uma maneira pela qual os cientistas estão procurando entender o que acontece quando as estrelas de nêutrons se fundem. “Existem várias maneiras de investigar os estados finais das fusões de estrelas de nêutrons que a comunidade tem buscado”, disse Wen-fai Fong, astrônomo da Northwestern University que não esteve envolvido na nova pesquisa, ao Space.com. “A potencial existência de evidências de uma estrela de nêutrons supermassiva em dados de arquivo é extremamente empolgante e complementar aos esforços existentes hoje de novas explosões curtas de raios gama no espectro eletromagnético”.
Uma forma de ampliar a busca por estrelas de nêutrons hipermassivas é detectar as ondas gravitacionais emitidas quando elas se formam. De acordo com as simulações, as ondas gravitacionais também devem oscilar, mas em uma frequência muito alta para a atual safra de detectores medir. No entanto, a modulação de frequência das ondas gravitacionais “deve ser detectável pela próxima geração de detectores de ondas gravitacionais em 10 a 15 anos”, disse Chirenti.
Os resultados foram publicados em janeiro na revista Nature ; Chirenti também apresentou os resultados na 241ª reunião da American Astronomical Society, realizada esta semana em Seattle e virtualmente. O artigo completo pode ser lido no servidor de pré-impressão arXiv.
Publicado em 22/01/2023 11h22
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