Imagem de uma simulação de relatividade numérica de colaboração maya de uma fusão binária NSBH, mostrando a interrupção da Estrela de Nêutrons. Crédito: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) e Karan Jani (Vanderbilt)
Salvatore Vitale descreve como sinais de ondas gravitacionais sugerem que buracos negros devoraram completamente suas estrelas de nêutrons companheiros.
Recentemente, uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores do MIT, anunciou a detecção de um novo tipo de sistema astrofísico: uma colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons — dois dos objetos mais densos e exóticos do universo.
Cientistas detectaram sinais de buracos negros colidindo e estrelas de nêutrons colidindo, mas não confirmaram a fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons até agora. Em um estudo que apareceu hoje no The Astrophysical Journal Letters, os cientistas relatam observar não apenas um, mas dois eventos tão raros, cada um dos quais emi uma onda gravitacional que reverberou em uma grande faixa do universo antes de chegar à Terra em janeiro de 2020, com apenas 10 dias de diferença.
As ondas gravitacionais de ambas as colisões foram detectadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais (LIGO) da National Science Foundation nos Estados Unidos, e por Virgem, na Itália. Os eventos são chamados GW200105 e GW200115, para a data em que cada onda gravitacional foi observada. Ambos os sinais representam os momentos finais como um buraco negro e uma estrela de nêutrons espiralou e se fundiu. Para GW200105, estima-se que o buraco negro seja cerca de 9 vezes a massa do sol, com uma estrela de nêutrons companheira de cerca de 1,9 massas solares. Estima-se que os dois objetos se fundiram há cerca de 900 milhões de anos. GW200115 é o produto de um buraco negro de 6 massas solares, que colidiu com uma estrela de nêutrons cerca de 1,5 vezes a massa do nosso sol, cerca de 1 bilhão de anos atrás. Em ambos os eventos, os buracos negros eram grandes o suficiente para que eles provavelmente devorassem suas estrelas de nêutrons completamente, deixando muito pouca ou nenhuma luz em suas consequências.
O membro da equipe ligo Salvatore Vitale, professor assistente de física do MIT e membro do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial, conversou com MIT News sobre a raridade de ambas as detecções, e o que as fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons podem revelar sobre a evolução das estrelas no universo.
Salvatore Vitale, professor assistente de física do MIT e membro da Colaboração Científica LIGO. Crédito: Cortesia do Mit Kavli Institute for Astrophysics and Space Research
Q: Fale-nos sobre esses sistemas extremos e esquivos. Em geral, o que se sabia sobre colisões envolvendo buracos negros e estrelas de nêutrons antes dessas detecções?
A: Ambas as estrelas de nêutrons e buracos negros são deixados para trás por estrelas massivas uma vez que ficam sem combustível nuclear. Uma vez que uma grande fração das estrelas no universo estão em sistemas binários, seria de esperar a existência de todas as combinações possíveis de pairwise: duas estrelas de nêutrons, dois buracos negros, ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
Binários de estrelas de nêutrons são conhecidos há décadas, descobertos usando radiação eletromagnética. Binários de buracos negros foram observados pela primeira vez em 2015, com a detecção de ondas gravitacionais GW150914. Depois disso, detectores de ondas gravitacionais como LIGO e Virgem descobriram dezenas de buracos negros binários e duas estrelas binárias de nêutrons. No entanto, binários com uma estrela de nêutrons e um buraco negro (NSBH) nunca haviam sido encontrados usando radiação eletromagnética, nem com ondas gravitacionais, pelo menos até agora.
Q: O que você pode dizer a partir do sinal sobre os possíveis cenários que poderiam ter reunido esses objetos em primeiro lugar?
Infelizmente, não muito, nesta fase! O cenário mais provável é que os dois objetos em cada binário estiveram juntos a vida toda, como estrelas gigantes. À medida que ficaram sem combustível, eles passaram por poderosas explosões conhecidas como supernovas, deixando para trás uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Os dois objetos no binário então se aproximaram cada vez mais, já que perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais, até colidirem. LIGO e Virgem viram os últimos segundos antes da colisão.
Teoricamente, essas fusões poderiam produzir luz, o que é extremamente emocionante! No entanto, para que isso aconteça, é preciso que algum assunto seja deixado ao redor do sistema após a colisão. Infelizmente, se o buraco negro é muito massivo, ou se ele não girar rápido o suficiente em torno de seu eixo, ele vai engolir inteiramente a estrela de nêutrons antes que isso tenha a chance de ser despedaçado. Quando isso acontece, não importa se deixa para trás, e, portanto, nenhuma luz. Isto é o que poderia ter acontecido com ambas as detecções de ondas gravitacionais.
No entanto, também é possível que a luz tenha sido, de fato, emitida, mas não foi detectada pelos telescópios que acompanharam esses sistemas. Isso porque sua posição no céu - com base nos dados de ondas gravitacionais - era bastante incerta, o que implica que os telescópios podem não ter tido a chance de encontrar a contraparte eletromagnética antes de desaparecer.
Q: Qual é o significado geral dessa nova detecção? E que caminhos isso se abre na nossa compreensão do universo?
A: Esses dois sistemas são importantes, pois são a primeira descoberta clara de binários de buracos negros de estrelas de nêutrons, um tipo de fonte que nunca havia sido observada, com ondas eletromagnéticas ou gravitacionais. Ele nos diz que esses sistemas existem, mas são mais raros do que estrelas binárias de nêutrons. Com apenas duas fontes, os números ainda são muito incertos, mas aproximadamente: para cada 10 binários de estrelas de nêutrons, há uma fusão da NSBH.
A taxa de fusão que calculamos usando esses dois sinais, e as propriedades dos objetos compactos, será uma tremenda ajuda para astrônomos e modeladores que tentam entender a formação e a evolução dos NSBHs.
Na verdade, como nunca havia sido observado nenhum antes, não havia uma boa maneira de refinar modelos teóricos e numéricos. Esses modelos são complicados e dependem de muitos dos parâmetros físicos do sistema binário, bem como de sua história. Por exemplo: Quão violenta é a explosão de supernova que deixa para trás estrelas de nêutrons e buracos negros? É tão poderoso que pode destruir o sistema binário completamente?
Finalmente ter acesso a fusões NSBH ajudará a refinar esses modelos e, consequentemente, nossa compreensão da formação e evolução de objetos compactos.
Para mais informações sobre esta pesquisa: Observatórios de ondas gravitacionais detectam fusões raras de buracos negros com estrelas de nêutrons pela primeira vez (scitechdaily.com)