QUANDO BURACOS NEGROS E ESTRELAS DE NÊUTRONS COLIDEM


 Exatamente o que acontece quando um buraco negro colide com uma das estrelas mais densas do universo conhecido?

Pela primeira vez, um sinal fraco causado pela fusão de dois objetos quase igualmente misteriosos - um buraco negro e uma estrela de nêutrons - foi registrado na Terra.

Em 5 de janeiro de 2020, quando o mundo ficou sabendo do surto COVID-19, as ondas gravitacionais dessa fusão alcançaram o detector de Livingston do Observatório de Ondas Gravitacionais a Laser Interferômetro (Ligo), observatório de ondas gravitacionais em Louisiana, EUA.

Em 15 de janeiro, foi descoberto o segundo evento de onda gravitacional de uma fusão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, as estrelas mais densas do universo.

Essas duas gravações são as primeiras fusões entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons detectadas na Terra. Os sistemas binários buraco negro-estrela de nêutrons, onde um buraco negro e uma estrela de nêutrons orbitam um ao outro, foram previstos, mas nunca observados - até agora.

As ondas gravitacionais são distorções no espaço-tempo, previstas pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein.

Em um observatório de ondas gravitacionais, a distância entre dois espelhos suspensos é medida com um laser. A técnica de medição depende da sobreposição da luz laser refletida dentro do experimento. Duas ondas de luz são organizadas de forma que os sinais se cancelem exatamente. Mudar a distância entre os espelhos mesmo em uma pequena fração de um comprimento de onda produz um sinal de luz mensurável.

A ideia básica por trás da teoria da relatividade é que o próprio espaço possui uma espécie de estrutura elástica, mesmo na ausência de qualquer matéria. Semelhante a um balão inflado, você pode apertá-lo de uma maneira e ele se expande na direção perpendicular.

A relatividade prevê que a matéria distorce o espaço (e o tempo) e uma colisão entre dois objetos compactos como um buraco negro e uma estrela de nêutrons muda rapidamente a compressão e o relaxamento do espaço na vizinhança dos objetos. Ondas de compressão e expansão periódicas são emitidas. A maneira de medir essas ondas é monitorar a distância entre dois objetos fixos, porque a onda gravitacional mudará periodicamente a extensão do espaço entre esses objetos, à medida que passa.

Durante o primeiro evento de onda gravitacional detectado em 2015, pelo qual três físicos receberam o prêmio Nobel em 2017, as distâncias entre os espelhos nas duas estações do observatório LIGO, que são de 4 km (2,5 milhas), mudaram em cerca de um milésimo de um trilionésimo de milímetro.

A fusão detectada em 2015 foi entre dois buracos negros comparativamente massivos, cada um com cerca de 30 vezes a massa do sol. Desde então, a sensibilidade do instrumento foi aprimorada. Agora também um observatório de ondas gravitacionais menor e menos sensível na Itália, chamado de experimento de Virgem, é freqüentemente usado como parte da rede de telescópios.

Nas novas descobertas, cada um dos objetos que se fundiram tinha menos de dez vezes a massa do Sol. O evento de 5 de janeiro envolveu objetos com massas respectivas de 8,9 e 1,9 vezes a massa do Sol, e a fusão em 15 de janeiro foi entre objetos com 5,7 e 1,5 vezes a massa do Sol.

Estrelas de nêutrons

É importante que as massas menores estivessem abaixo de 2,2 vezes a massa do Sol, porque isso sugere que esses objetos eram estrelas de nêutrons. As estrelas de nêutrons são tão densas que uma quantidade de matéria comparável ao sistema solar é comprimida a um diâmetro de cerca de 20 km.

A matéria em uma estrela de nêutrons é tão densa que os átomos são esmagados, resultando na formação de nêutrons. A forte gravidade em sua superfície os torna, por direito próprio, laboratórios interessantes para estudar os efeitos da relatividade geral.

Quando uma estrela de nêutrons se torna ainda mais massiva, por exemplo, quando algum gás interestelar cai sobre ela, as forças nucleares não podem mais resistir à gravidade e a estrela colapsa em um buraco negro, um objeto tão compacto que nem mesmo a luz pode resistir à sua atração gravitacional.

Estrelas de nêutrons e buracos negros não são tão raros na Via Láctea. Eles são um resultado comum da evolução de estrelas significativamente mais massivas do que o sol. Essas estrelas massivas geralmente ocorrem em sistemas binários, com duas estrelas orbitando uma a outra.

Não é surpreendente encontrar estrelas de nêutrons e buracos negros em sistemas binários, onde eles estão presos em uma dança gravitacional. Esses binários emitem ondas gravitacionais durante toda a sua vida.

Sistemas binários

A energia para as ondas gravitacionais vem do movimento dos objetos em torno uns dos outros. À medida que o sistema emite ondas gravitacionais, os objetos ficam mais próximos. Isso faz com que a emissão da onda gravitacional aumente e, finalmente, os dois se fundam em um novo e maior buraco negro, com uma explosão de emissão da onda gravitacional. Isso é detectável na Terra.

Embora fosse esperado que existissem sistemas de estrela-buraco negro de nêutrons, nunca havíamos sido capazes de identificá-los antes. Estrelas de nêutrons emitem emissões de rádio e raios-X, que agora podem ser detectadas rotineiramente. Além de procurar ondas gravitacionais, os buracos negros só podem ser observados quando algo cai sobre eles - uma estrela ou um gás interestelar, por exemplo.

Se um buraco negro tiver uma estrela companheira normal, ele pode capturar massa da companheira que emite raios X antes de desaparecer no buraco negro. Os buracos negros binários não têm uma fonte óbvia de gás e são conhecidos apenas por experimentos com ondas gravitacionais.

Um sistema de estrela-buraco negro de nêutrons poderia, em princípio, ser descoberto com radiotelescópios, mas - até agora - a busca não foi bem-sucedida. Esta nova descoberta fornece informações importantes sobre a astrofísica de tais sistemas.

Mais descobertas certamente serão feitas, o que ajudará a melhorar nossa compreensão do que está dentro das estrelas de nêutrons e buracos negros - e muito possivelmente também fornecerá novos testes, ou provas, da teoria da relatividade.