"Não foram eventos em que os buracos negros mastigaram estrelas de nêutrons como o Cookie Monster e jogaram pedaços e pedaços", disse um físico.

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Depois de mais de quatro anos explorando um zoológico de acontecimentos cósmicos por meio de ondas gravitacionais, os cientistas finalmente identificaram a terceira variedade esperada de colisão, duas vezes.

O novo sabor de colisão inclui um buraco negro e uma estrela de nêutrons, tornando-se uma espécie de mash-up. Os cientistas observaram dezenas de fusões de pares de buracos negros e algumas fusões de pares de estrelas de nêutrons, os corpos estelares superdensos. Mas uma queda entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, embora prevista pelos cientistas, não foi definitivamente detectada.

Agora, os pesquisadores dizem que fizeram exatamente isso, observando as ondulações únicas no espaço-tempo causadas por tal colisão.

"Com esta nova descoberta de fusões estrela de nêutrons-buraco negro fora de nossa galáxia, encontramos o tipo de binário que faltava", disse Astrid Lamberts, pesquisadora do CNRS do Observatoire de la Côte d'Azur na França, em um comunicado. "Podemos finalmente começar a entender quantos desses sistemas existem, com que frequência eles se fundem e por que ainda não vimos exemplos na Via Láctea."

Uma representação artística de ondas gravitacionais produzidas por um buraco negro e uma estrela de nêutrons se fundindo. Crédito da imagem: Mark Myers, OzGrav / Swinburne University

As duas novas detecções ocorreram em janeiro de 2020, com apenas 10 dias de diferença, e as colisões são agora conhecidas como GW200105 e GW200115 pelas datas em que foram observadas. Um foi detectado por detectores gêmeos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e pelo detector similar de Virgem na Europa, o outro por apenas um dos detectores LIGO e Virgo. (A parceria agora também inclui um detector no Japão chamado KAGRA, mas essa instalação começou a fazer observações apenas em fevereiro de 2020.)

O GW200115 foi particularmente bem detectado e observado por todas as três instalações. Os cientistas acreditam que envolveu um buraco negro quase seis vezes a massa do nosso sol devorando uma estrela de nêutrons com uma massa metade maior do que o nosso sol, e que a fusão ocorreu entre 650 milhões e 1,5 bilhões de anos-luz de distância.

O GW200105 não foi detectado definitivamente, mas os cientistas suspeitam que foi uma fusão entre um buraco negro com cerca de nove vezes a massa do Sol e uma estrela de nêutrons com cerca de duas vezes a massa do Sol a cerca de 550 milhões e 1,3 bilhões de anos-luz de distância.

Representação artística de um buraco negro e estrela de nêutrons em fusão exibindo interrupção da maré. Crédito da imagem: Visualização: T.Dietrich, N.Fischer, S.Ossokine, H.Pfeiffer, T. Vu; Simulação: V.Chaurasia, T. Dietrich

Os cientistas ainda não têm certeza se essas fusões mistas criam um sinal de luz visível (como a fusão de pares de estrelas de nêutrons parece fazer) ou não (como no caso de fusões de buracos negros binários).

Os astrônomos não conseguiram comparar nenhuma dessas novas detecções de ondas gravitacionais com as observações de ondas de luz, mas isso não significa necessariamente que não houve esse flash correspondente. Para uma detecção menos precisa, os cientistas só puderam estreitar a localização da fonte para cerca de 17% do céu; para uma detecção mais precisa, os cientistas ainda estavam enfrentando uma área equivalente a 2.900 luas cheias. Além disso, a distâncias tão vastas das colisões, qualquer luz teria sido extremamente fraca no momento em que alcançou a Terra de qualquer maneira.

No entanto, os cientistas suspeitam que, pelo menos para essas fusões em particular, não houve sinal de luz para ver.

"Estes não foram eventos em que os buracos negros mastigaram estrelas de nêutrons como o Cookie Monster e jogaram pedaços e pedaços", disse Patrick Brady, físico da University of Wisconsin-Milwaukee e atual porta-voz do LIGO Scientific Collaboration, em uma demonstração. "Esse 'flerte' é o que produziria luz, e não achamos que tenha acontecido nesses casos." (A alimentação confusa também é chamada de interrupção das marés.)

Um gráfico que mostra as massas dos objetos originais e finais de colisões detectadas por medições de ondas gravitacionais. Crédito da imagem: LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Esses dois eventos marcam as primeiras vezes em que os cientistas viram uma fusão e estavam confiantes de que representava um par misto. Para duas detecções anteriores, no entanto, o mesmo cenário é uma possibilidade, embora não seja confirmado pelos astrônomos. Um desses eventos, detectado em agosto de 2019, representa um grande buraco negro com o que é a maior estrela de nêutrons conhecida ou o menor buraco negro conhecido. Outro evento detectado quatro meses antes pode ser uma fusão de pares mistos, mas pode representar apenas ruído nos detectores.

Dadas as duas observações de janeiro de 2020, os cientistas agora preveem que uma fusão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons ocorre uma vez por mês dentro de um bilhão de anos-luz da Terra.

Os cientistas têm duas teorias sobre como essas fusões ocorrem. Uma é que cada membro de uma estrela binária independentemente se transforma em supernova, explodindo e formando dois remanescentes densos que eventualmente se fundem. A outra teoria sugere que estrelas díspares experimentam explosões de supernovas e, em seguida, estabelecem uma relação binária.

As duas novas observações de colisão não são suficientes para determinar o que está acontecendo, mas os cientistas esperam que, eventualmente, as detecções de ondas gravitacionais resolvam o quebra-cabeça.

"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", Maya Fishbach, pós-doutoranda na Northwestern University em Illinois e um co-autora do estudo, disse em um comunicado da universidade. "Com os dados de ondas gravitacionais futuras, teremos as estatísticas para responder a essas perguntas e, finalmente, aprender como os objetos mais extremos em nosso universo são feitos."

Os detectores gêmeos LIGO, Virgo e KAGRA, estão todos se preparando para a quarta corrida de observação da parceria, que está programada para começar no próximo verão. Os cientistas dizem que o trabalho poderia ver a parceria detectando um sinal de onda gravitacional todos os dias, abrindo os cientistas para imensamente mais informações sobre o que está acontecendo em todo o cosmos, como nessas fusões dramáticas.

"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 estrela de nêutrons inteira", disse Susan Scott, física da Australian National University e co-autora sobre o estudo, disse em um comunicado da universidade. "Essas colisões abalaram o universo em seu núcleo e detectamos as ondulações que elas enviaram através do cosmos."

Os resultados são descritos em um artigo publicado em 29 de junho na revista The Astrophysical Journal Letters.

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Referência:

BARTELS, Scientists catch 1st glimpse of a black hole swallowing a neutron star. Space, 29, jun. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/first-black-hole-neutron-star-mergers-detected>. Acesso em: 30, jun. 2021.