Ciência

Confirmadas duas colisões de estrelas de neutrões com buracos negros

Uma equipa internacional de astrofísicos captou um sinal de ondas gravitacionais que finalmente confirmam a detecção de uma fusão há muito tempo esperada que envolve uma estrela de neutrões e um buraco negro. Aliás, na verdade, os sinais que chegaram à Terra são de duas fusões destes pares nunca vistos.

Quem espera, sempre alcança e, por vezes, o prémio da persistência pode ser chegar em dobro. Após vários anos de exploração, uma equipa internacional de astrofísicos confirmou a detecção de duas fusões entre um buraco negro e uma estrela de neutrões. O sinal das ondas gravitacionais dos dois eventos foi captado em Janeiro de 2020, com apenas dez dias de intervalo, e o anúncio oficial foi feito esta terça-feira com um artigo publicado na revista Astrophysical Journal Letters.

O entusiasmo da equipa de cientistas é óbvio. A Universidade de Northwestern, num tom mais conservador, anuncia: “Astrofísicos detectam primeiras fusões de estrela de neutrões e buraco negro.” O comunicado de Imprensa do Centro Nacional de Investigação Científica de Paris (CNRS) fala numa “Dança final de pares de estrelas de neutrões com buracos negros”. A Universidade de Wisconsin dá destaque aos detectores de ondas gravitacionais usados na descoberta comunicando que o “LIGO-Virgo-KAGRA encontraram fusões esquivas de buracos negros com estrelas de neutrões”. Por fim, a Universidade Nacional da Austrália tenta um título mais apelativo referindo apenas: “Buracos negros engoliram estrelas de neutrões como o ‘Pac Man’”.

Muitas notas de imprensa para dizer a mesma coisa. Uma equipa internacional de astrofísicos detectou e confirmou pela primeira vez não uma, mas duas fusões de estrelas de neutrões com buracos negros. Depois da observação de dezenas de fusões de pares de buracos negros e duas raras fusões de pares de estrelas de neutrões, faltava detectar e confirmar uma esperada terceira variedade de fusão, uma colisão mista entre uma estrela de neutrões e um buraco negro. Era a peça que faltava.

“Com esta nova descoberta de fusões de um buraco negro e estrela de neutrões fora da nossa galáxia, encontrámos o tipo de binário em falta”, refere Astrid Lamberts, investigadora do CNRS, em França, citada num comunicado. E acrescenta: “Podemos finalmente começar a compreender quantos destes sistemas existem, quantas vezes se fundem, e porque é que ainda não vimos exemplos na Via Láctea.”

O artigo publicado esta terça-feira conta uma história antiga e distante. “Há muito tempo, em duas galáxias a cerca de 900 milhões de anos-luz de distância, dois buracos negros devoraram as suas companheiras estrelas de neutrões e desencadearam ondas gravitacionais, que finalmente atingiram a Terra em Janeiro de 2020”, resume o comunicado da Universidade de Northwestern. Os dois eventos foram detectados com apenas dez dias de intervalo e marcam a primeira detecção de sempre confirmada de um buraco negro que se funde com uma estrela de neutrões.

Em duas detecções anteriores, contudo, já se tinha colocado a mesma hipótese da observação deste tipo de colisão, mas sem que tivesse sido possível uma definitiva confirmação. Num desses eventos, detectado em Agosto de 2019, ficou por esclarecer se tinha sido observada a fusão de um grande buraco negro com uma grande estrela de neutrões ou com um pequeno buraco negro. Outro evento detectado quatro meses antes também levantou a hipótese de um par misto a colidir, mas o sinal captado pelos detectores não foi totalmente claro.

Susan Scott, investigadora na Universidade Nacional da Austrália (UNA), é co-autora do estudo publicado esta terça-feira e também foi uma das cientistas a relatar uma das anteriores observações, em Agosto de 2019, que não terá sido possível confirmar com exactidão. Agora, sim. “Estas colisões abalaram o Universo até ao seu âmago e detectámos as ondulações que enviaram através do cosmos”, refere a cientista no comunicado da UNA. “Cada colisão não é apenas a junção de dois objectos maciços e densos. É realmente como Pac-Man, com um buraco negro a engolir a sua companheira estrela de neutrões inteira”, ilustra, concluindo: “Estes são eventos notáveis e esperámos muito tempo para os testemunhar. Por isso é incrível captá-los finalmente.”

Previstas há mais de cem anos pelo físico Albert Einstein, as ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez em 2015 e, dois anos mais tarde e quatro detecções depois, esse feito valeu o Prémio Nobel da Física. Tinham todas sido originadas pela colisão de dois buracos negros gigantescos. Depois disso, em 2017, outra novidade: observaram-se duas estrelas de neutrões a colidir e a gerar tanto ondas gravitacionais como luz (em várias bandas do espectro electromagnético, como raios gama, raios X, luz visível e infravermelhos).

Quando uma estrela bastante maior do que o nosso Sol (a partir de oito massas) consome todo o hidrogénio em reacções nucleares, a sua parte central entra em colapso e dá origem ou a uma estrela de neutrões ou a um objecto ainda mais denso, um buraco negro. Por isso, uma estrela de neutrões, tal como um buraco negro de origem estelar, é uma estrela que morreu.

A equipa que assina o artigo na Astrophysical Journal Letters inclui investigadores da Colaboração LIGO), da Colaboração Virgo e do projecto Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). “Ondas gravitacionais permitiram-nos detectar colisões de pares de buracos negros e pares de estrelas de neutrões, mas a colisão mista de um buraco negro com uma estrela de neutrões tem sido a peça em falta do quadro das fusões de objectos compactos”, confirma Chase Kimball, estudante de pós-graduação da Northwestern e co-autor do estudo. “A conclusão deste quadro é crucial para restringir o conjunto de modelos astrofísicos de formação de objectos compactos e evolução binária. Inerentes a estes modelos estão as suas previsões sobre as taxas de fusão entre buracos negros e estrelas de neutrões. Com estas detecções, temos finalmente medições das taxas de fusão entre as três categorias de fusões binárias compactas”, explica ainda.

Estes dois novos eventos de ondas gravitacionais – que receberam o pouco atractivo nome de GW200105 e GW200115 – foram detectados a 5 de Janeiro de 2020 e a 15 de Janeiro de 2020, durante a segunda metade da terceira série de observação dos detectores LIGO e Virgo. “Embora vários observatórios tenham realizado várias observações de acompanhamento, nenhum deles observou luz de qualquer dos eventos, consistente com as massas e distâncias medidas”, nota o comunicado.

A análise dos sinais revelou que o GW200105 resultou da fusão, a cerca de 900 anos-luz de distância, de um buraco negro e uma estrela de neutrões, respectivamente 8,9 vezes e 1,9 vezes mais maciça do que o Sol. Os cientistas referem que embora o sinal fosse demasiado silencioso para que Virgo pudesse confirmar a sua detecção, “os seus dados ajudaram a reduzir a localização potencial da fonte para cerca de 17% de todo o céu, o que equivale à área coberta por 34 mil Luas Cheias”.

“Embora exista um sinal forte num único detector, concluímos que é real e não apenas ruído do detector. Passa todas as nossas rigorosas verificações de qualidade e afasta-se de todos os eventos de ruído que vemos na terceira observação”, diz Harald Pfeiffer, líder do grupo no Departamento de Astrofísica e Relatividade Cosmológica do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, em Potsdam, Alemanha, citado noutro comunicado da Universidade de Wisconsin.

O GW200115 teve origem num par que colidiu a cerca de mil milhões de anos-luz de distância, com um buraco negro e uma estrela de neutrões com massas 5,7 e 1,5 vezes maiores do que o Sol, respectivamente. “Com observações dos três detectores amplamente separados na Terra, a direcção para a origem das ondas pode ser determinada para uma parte do céu equivalente à área coberta por 2900 Luas Cheias”, explicam os investigadores.

Embora nem todos os eventos idênticos a estes sejam detectáveis, os investigadores esperam que aproximadamente uma dessas fusões por mês aconteça a uma distância de mil milhões de anos-luz. Também não é claro onde estes sistemas binários se formam, existindo para já três origens cósmicas prováveis: sistemas binários estelares, ambientes estelares densos incluindo aglomerados de estrelas jovens, e os centros de galáxias.

A equipa está actualmente a preparar os detectores para uma quarta campanha de observações, a começar no Verão de 2022. “Vimos agora os primeiros exemplos de buracos negros a fundir-se com estrelas de neutrões, por isso sabemos que estão por aí”, diz Maya Fishbach, da NASA e outra das autoras do artigo. E as perguntas sobre este tipo de colisões só aumentaram com estes primeiros sinais. Falta saber, por exemplo, que tamanho podem ter, a que velocidade podem girar, como acontece a formação destes pares como parceiros de fusão.

Fonte: Público

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