Objeto misterioso na "divisão de massa"

Quando as estrelas mais massivas morrem, colapsam sob a sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas um pouco menos massivas morrem, explodem numa supernova e deixam para trás remanescentes densos e mortos de estrelas chamadas estrelas de nêutrons.

© F. Elavsky/A. Geller (gráfico das massas de buracos negros)

Este gráfico mostra as massas dos buracos negros detectados através de observações eletromagnéticas (roxo), os buracos negros medidos por observações de ondas gravitacionais (azul), as estrelas de nêutrons medidas por observações eletromagnéticas (amarelo) e as estrelas de nêutrons detectadas através de ondas gravitacionais (laranja). Um evento chamado GW190814 é realçado no meio do gráfico como a fusão de um buraco negro com um objeto misterioso de massa equivalente a 2,6 vezes a do Sol.

Há décadas que os astrônomos se interessam pela divisão que fica entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros: a estrela de nêutrons mais pesada que se conhece não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso Sol, e o buraco negro mais leve tem aproximadamente 5 massas solares. A questão que permanecia: existe alguma coisa neste intervalo de massas?

Agora, num novo estudo pelos detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo, os cientistas anunciaram a descoberta de um objeto com 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na divisão de massa. O objeto foi encontrado no dia 14 de agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro com 23 massas solares, criando ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo LIGO e Virgo.

Este objeto é a estrela de nêutrons mais pesada ou o buraco negro mais leve que se conhece?

A fusão cósmica descrita no estudo, GW190814, resultou num buraco negro final com aproximadamente 25 vezes a massa do Sol (alguma da massa fundida foi convertida num surto energético de ondas gravitacionais). O recém-formado buraco negro fica a cerca de 800 milhões de anos-luz da Terra.

Antes da fusão dos dois objetos, as suas massas diferiam por um fator de 9, tornando-se na relação de massa mais extrema já conhecida para um evento de ondas gravitacionais. Outro evento relatado recentemente pelo LIGO-Virgo, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma relação de massa de aproximadamente 4:1.

"É um desafio para os modelos teóricos atuais formar pares, em fusão, de objetos compactos com uma taxa de massa tão grande na qual o parceiro mais leve reside no hiato de massa entre buracos negros e estrelas de nêutrons. Esta descoberta implica que estes eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, tornando-o num objeto de baixa massa realmente intrigante," disse Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern. "O objeto misterioso pode ser uma estrela de nêutrons fundindo-se com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, excede as previsões modernas para a massa máxima das estrelas de nêutrons, e pode ao invés ser o buraco negro mais leve já detectado".

Quando os cientistas do LIGO e do Virgo avistaram esta fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronômica. Dúzias de telescópios terrestres e espaciais continuaram à procura, no espetro eletromagnético, de sinais do evento, sem resultados positivos. Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, num evento chamado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em agosto de 2017, envolveu uma colisão escaldante de duas estrelas de nêutrons que foi subsequentemente testemunhada por dúzias de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de nêutrons são eventos caóticos que lançam matéria para o espaço em todas as direções e, portanto, espera-se que emitam luz. Inversamente, pensa-se que as fusões que envolvem buracos negros não produzem luz.

De acordo com os cientistas do LIGO e do Virgo, o evento de agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios que observam no espetro eletromagnético por várias razões. Em primeiro lugar, este evento estava seis vezes mais distante do que o evento observado em 2017, dificultando a captação de qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão tivesse envolvido dois buracos negros, provavelmente não teria emitido luz. Em terceiro lugar, se o objeto menor tivesse sido de fato uma estrela de nêutrons, o seu buraco negro parceiro, 9 vezes mais massivo, teria engolido a estrela toda; uma estrela de nêutrons consumida inteira por um buraco negro não emite luz.

Como é possível saber se o objeto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro? Observações futuras com o LIGO, Virgo e possivelmente outros telescópios podem captar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se objetos adicionais existem na divisão de massas.

Um artigo foi aceito para publicação no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: California Institute of Technology