Ondas gravitacionais mostram fusão de buraco negro com estrela de nêutrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/06/2021

Visualização artística de um buraco negro engolindo uma estrela de nêutrons.
[Imagem: Carl Knox-OzGrav/Swinburne University]

Binário buraco negro-estrela de nêutrons

Astrônomos e astrofísicos observaram um novo tipo de evento cataclísmico no cosmos: A fusão de uma estrela de nêutrons com um buraco negro.

Na verdade, foram duas fusões diferentes, detectadas com 10 dias de intervalo, pelos observatórios de ondas gravitacionais Ligo (EUA) e Virgo (Itália) - agora o Observatório Kagra (Japão) também faz parte da rede de detecção.

Os dois eventos ocorreram em duas galáxias a cerca de 900 milhões de anos-luz de distância e chegaram até nós em janeiro do ano passado. Eles foram batizados de GW200105 e GW200115 - GW é a sigla de onda gravitacional em inglês, seguida da data da detecção.

As ondas gravitacionais detectadas até agora eram oriundas da fusão de dois buracos negros ou de duas estrelas de nêutrons, que colidiram e formaram um novo buraco negro - uma estrela de nêutrons é o resíduo ultradenso de uma estrela gigante que chegou ao final de sua vida.

A equipe - são mais de 1.000 cientistas do mundo todo - tem várias hipóteses para explicar a existência de um binário de um buraco negro e uma estrela de nêutrons, mas serão necessárias novas observações para que uma delas possa se firmar como uma explicação mais plausível.

Buraco negro engolindo estrela de nêutrons

A análise dos dois sinais revelou que o GW200105 resultou da fusão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons, respectivamente com 8,9 vezes e 1,9 vezes a massa do Sol - o evento ocorreu 900 milhões de anos atrás. Esse sinal foi mais fraco e captado por apenas um detector, o que não permite a localização precisa de sua fonte.

Já o GW200115 se originou de um par idêntico, com massas 5,7 e 1,5 vezes maiores que o Sol - essa dupla coalesceu em torno de 1 bilhão de anos atrás. Com as informações de todos os três instrumentos, foi possível restringir a parte do céu onde esse evento ocorreu. No entanto, a área delimitada corresponde a 2.900 vezes o tamanho da Lua cheia.

É a diferença de massa entre os componentes de cada sistema que indica que eles são binários mistos: A massa do objeto mais pesado corresponde à de um buraco negro, enquanto a massa do objeto mais leve é consistente com a de uma estrela de nêutrons.

Quando uma estrela de nêutrons se aproxima de um buraco negro, teoricamente ela pode ser dilacerada por forças de maré, causando erupções de radiação eletromagnética. No entanto, nos dois casos observados, o buraco negro, sendo muito mais massivo, pode ter engolido a estrela de nêutrons de uma só vez, sem deixar vestígios, o que poderia explicar por que nenhum sinal de luz foi detectado pelos telescópios.

As massas das estrelas de nêutrons e buracos negros medidos por meio de ondas gravitacionais (azul e laranja) e observações eletromagnéticas (amarelo e roxo). Os eventos GW200105 e GW200115 estão destacados como a fusão de estrelas de nêutrons com buracos negros.
[Imagem: LIGO-Virgo/Frank Elavsky-Aaron Geller/Northwestern]

Objetos extremos

Várias hipóteses foram propostas para explicar a formação desses binários mistos.

A primeira envolve a evolução de um binário típico, um par de estrelas uma em órbita em torno da outra. No final de sua vida, uma das estrelas pode ter-se tornado um buraco negro, enquanto a outra seguiu a rota normal para uma estrela de nêutrons, que continuou girando em torno do buraco negro recém-nascido.

De acordo com outra hipótese, chamada interação dinâmica, os dois componentes do par teriam se formado independentemente em um meio estelar muito denso, antes de se encontrarem a passarem a formar um binário.

"Agora vimos os primeiros exemplos de buracos negros se fundindo com estrelas de nêutrons, então sabemos que esses binários existem," disse Maya Fishbach, membro da equipe. "Mas ainda há muito que não sabemos sobre estrelas de nêutrons e buracos negros - quão pequenos ou grandes eles podem ficar, quão rápido eles podem girar, como eles se emparelham em parceiros de fusão. Com futuros dados de ondas gravitacionais, teremos as estatísticas para responder a essas perguntas e, finalmente, aprender como os objetos mais extremos em nosso universo são formados."

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