Cientistas confirmam pela primeira vez uma colisão de buraco negro e estrela de nêutrons

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Impressão artística de um evento de fusão estrela de nêutrons-buraco negro. Créditos: Carl Knox / OzGrav / Universidade de Tecnologia de Swinburne.

Por Peter Dockrill
Publicado na ScienceAlert

Pela primeira vez, os cientistas confirmaram inequivocamente a colisão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons: o momento fatídico em que dois objetos extremos se unem em um evento tão imensamente poderoso que suas ondulações pelo cosmos ainda podem ser discernidas um bilhão de anos depois.

Surpreendentemente, essa descoberta astronômica não foi feita agora, mas duas vezes, conforme relata uma colaboração internacional de milhares de cientistas.

Em um novo estudo que confirma essa observação inédita, os pesquisadores detalham a detecção de ondas gravitacionais resultantes de duas fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros separadas – cada uma registrada por astrônomos com apenas 10 dias de intervalo em janeiro de 2020.

“É um marco incrível para o campo nascente da astronomia de ondas gravitacionais”, disse a astrofísica Rory Smith do Centro de Excelência para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) da Universidade Monash, na Austrália.

“As estrelas de nêutrons que se fundem com os buracos negros estão entre os fenômenos mais extremos do Universo. Observar essas colisões abre novos caminhos para aprender sobre a física fundamental, bem como como as estrelas nascem, vivem e morrem”.

Impressão artística das ondas gravitacionais geradas por um sistema binário estrela de nêutrons-buraco negro. Crédtios: Mark Myers / OzGrav / Universidade de Tecnologia de Swinburne.

A descoberta virtualmente simultânea dos dois eventos – chamados GW200105 e GW200115 – mostra a velocidade com que o campo da ciência das ondas gravitacionais está evoluindo.

Em apenas meia década desde a primeira descoberta confirmada de ondas gravitacionais, os pesquisadores já detectaram essas ondas a partir de dezenas de eventos – no total, cerca de 50 ocorrências individuais de buracos negros colidindo com outros buracos negros, ou estrelas de nêutrons colidindo com outras estrelas de nêutrons.

Mas, antes disso, uma colisão “mista” representando a fusão de uma estrela de nêutrons com um buraco negro – chamada de sistema binário ENBN – nunca havia sido confirmada, embora os cientistas tenham captado sinais que eram potencialmente sugestivos de tal colisão de estrela de nêutrons-buraco negro.

Agora, no entanto, a descoberta é inequívoca.

“Em janeiro de 2020, a rede de detectores LIGO-Virgo observou sinais de ondas gravitacionais de duas inspirais binárias compactas que são consistentes com sistemas binários estrela de nêutrons-buraco negro”, explicam pesquisadores das colaborações internacionais de LIGO, Virgo e KAGRA no novo estudo.

“Estas representam as primeiras observações confiáveis ​​dos sistemas binários ENBN por qualquer meio de observação”.

O primeiro evento, GW200105, foi detectado em 5 de janeiro de 2020, envolvendo um buraco negro (com cerca de nove vezes a massa do Sol, ou 8,9 massas solares) colidindo com uma estrela de nêutrons de 1,9 massa solar.

Essa colisão ocorreu há cerca de 900 milhões de anos, embora tenhamos acabado de detectar as ondas gravitacionais se propagando da fusão dos dois objetos.

O GW200115, detectado em 15 de janeiro de 2020, é ainda mais antigo, ocorrendo quando um sistema binário ENBN se fundiu cerca de 1 bilhão de anos atrás na fusão de um buraco negro de 6 massas solares e uma estrela de nêutrons de 1,5 massa solar.

“Essas colisões abalaram o Universo pesadamente e detectamos as ondulações que elas enviaram através do cosmos”, disse a astrofísica Susan Scott, da Universidade Nacional da Austrália (ANU).

“Cada colisão não é apenas a união de dois objetos massivos e densos. É realmente como o Pac-Man, com um buraco negro engolindo sua companheira estrela de nêutrons inteira”.

A existência desses sistemas binários está prevista há décadas, mas nunca foram observados antes. Agora, graças à detecção de ondas gravitacionais de suas colisões, sabemos que essas duplas existem, embora muitas perguntas ainda permaneçam.

“Agora vimos os primeiros exemplos de buracos negros se fundindo com estrelas de nêutrons, então sabemos que eles estão lá”, disse a astrônoma de ondas gravitacionais Maya Fishbach da Universidade do Noroeste (EUA).

“Mas ainda há muito que não sabemos sobre estrelas de nêutrons e buracos negros – quão pequenos ou grandes eles podem ficar, quão rápido podem girar, como eles se unem em parceiros de fusão. Com os dados de ondas gravitacionais futuras, teremos o estatísticas para responder a essas perguntas e, finalmente, aprender como os objetos mais extremos em nosso Universo são feitos”.

As descobertas foram publicadas no The Astrophysical Journal Letters.