Colisão de estrelas de nêutrons criou um objeto que pensávamos ser pesado demais para existir

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A impressão de um artista de uma erupção de raios gama de curta duração alimentada por uma estrela de nêutrons. (Créditos: Nuria Jordana-Mitjans)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Um flash de luz emitido pela colisão de estrelas de nêutrons mais uma vez mudou nossa compreensão de como o Universo funciona.

A análise da curta erupção de raios gama cuspida quando as duas estrelas se fundiram revelou que, em vez de formar um buraco negro, como esperado, o produto imediato da fusão foi uma estrela de nêutrons altamente magnetizada muito mais pesada do que a massa máxima estimada da estrela de nêutrons.

Este magnetar parece ter persistido por mais de um dia antes de entrar em colapso em um buraco negro.

“Uma estrela de nêutrons tão massiva com uma longa expectativa de vida normalmente não é considerada possível”, disse a astrônoma Nuria Jordana-Mitjans, da Universidade de Bath, no Reino Unido ao The Guardian. “É um mistério por que esta viveu tanto tempo.”

As estrelas de nêutrons estão em um espectro de como uma estrela pode acabar no final de sua vida. Por milhões ou bilhões (ou potencialmente trilhões) de anos, uma estrela vai prosperar como um motor fundindo átomos em seu núcleo quente e pressurizado.

Eventualmente, os átomos que uma estrela pode fundir acabarão e, neste ponto, tudo meio que explode. A estrela ejeta sua massa externa e, não mais suportada pela pressão externa fornecida pela fusão, o núcleo colapsa sob a pressão interna da gravidade.

A forma como categorizamos esses núcleos colapsados ​​depende da massa do objeto. Os núcleos de estrelas que começaram com cerca de 8 vezes a massa do Sol colapsam em anãs brancas, que têm um limite de massa superior de 1,4 massas solares, espremidas em uma esfera do tamanho da Terra.

Os núcleos de estrelas entre 8 e 30 massas solares se transformam em estrelas de nêutrons, entre cerca de 1,1 e 2,3 massas solares, em uma esfera de apenas 20 quilômetros de diâmetro. E as maiores estrelas, acima do limite de massa superior da estrela de nêutrons, colapsam em buracos negros, de acordo com a teoria.

Mas há uma escassez muito notável de buracos negros abaixo de 5 massas solares, então o que acontece nesse regime de massa é em grande parte um mistério.

É por isso que as fusões de estrelas de nêutrons são tão interessantes para os astrônomos. Elas surgem quando duas estrelas de nêutrons estão em um sistema binário e atingiram o ponto de decaimento orbital no qual inevitavelmente se fundem e se tornam um objeto combinando as duas estrelas de nêutrons.

A maioria das estrelas de nêutrons binárias tem uma massa combinada que excede o limite de massa superior teórico para estrelas de nêutrons. Portanto, é provável que os produtos dessas fusões fiquem solidamente dentro dessa lacuna de massa de estrela de nêutrons e buraco negro.

Quando colidem, estrelas binárias de nêutrons liberam uma explosão de radiação de alta energia conhecida como erupção de raios gama de curta duração. Os cientistas pensavam que estas só poderiam ser emitidas durante a formação de um buraco negro.

Mas exatamente como as estrelas de nêutrons em fusão se transformam em um buraco negro tem sido uma espécie de quebra-cabeça. O buraco negro se forma instantaneamente ou as duas estrelas de nêutrons produzem uma estrela de nêutrons muito pesada que então colapsa em um buraco negro muito rapidamente, não mais do que algumas centenas de milissegundos após a fusão?

GRB 180618A foi uma erupção de raios gama de curta duração detectada em junho de 2018, luz que viajou 10,6 bilhões de anos para chegar até nós. Jordana-Mitjans e seus colegas queriam observar mais de perto a luz emitida por esse objeto: a explosão em si, a explosão de kilonova e o brilho residual de vida mais longa.

Mas, quando eles olharam para a radiação eletromagnética produzida pelo evento ao longo do tempo, algo estava errado.

A emissão óptica do brilho residual desapareceu 35 minutos após a erupção de raios gama. A equipe descobriu que isso acontecia porque ela estava se expandindo próximo à velocidade da luz, acelerada por uma fonte de energia contínua.

Isso era consistente não com um buraco negro, mas com uma estrela de nêutrons. E não apenas qualquer estrela de nêutrons. Parecia ser o que chamamos de magnetar: uma com um campo magnético 1.000 vezes mais poderoso que o de uma estrela de nêutrons comum e um quatrilhão de vezes mais poderoso que o da Terra. E existiu por mais de 100.000 segundos (quase 28 horas).

“Pela primeira vez”, disse Jordana-Mitjans, “nossas observações destacam múltiplos sinais de uma estrela de nêutrons resultante que viveu por pelo menos um dia após a morte do sistema binário original de estrelas de nêutrons”.

O que poderia ter ajudado o magnetar a viver tanto tempo não está claro. É possível que o campo magnético tenha ajudado um pouco, fornecendo um puxão externo que a impediu de colapsar totalmente, pelo menos por um tempo.

Seja qual for o mecanismo – e isso definitivamente vai justificar uma investigação mais aprofundada – o trabalho da equipe mostra que estrelas de nêutrons supramassivas são capazes de lançar erupções de raios gama de curta duração e que não podemos mais assumir a presença de um buraco negro.

“Tais descobertas são importantes, pois confirmam que as estrelas de nêutrons recém-nascidas podem alimentar algumas erupções de raios gama de curta duração e as emissões brilhantes em todo o espectro eletromagnético que foram detectadas as acompanhando”, disse Jordana-Mitjans.

“Esta descoberta pode oferecer uma nova maneira de localizar fusões de estrelas de nêutrons e, portanto, emissores de ondas gravitacionais, quando estivermos procurando sinais no céu”.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal.