Fusões esquivas de buracos negros com estrelas de nêutrons

Pela primeira vez, os pesquisadores confirmaram a detecção de uma colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons.

© OzGrav/Carl Knox (ilustração da fusão de buraco negro com estrela de nêutrons)

Na verdade, os cientistas detectaram não um, mas dois eventos deste tipo que ocorreram com apenas 10 dias de intervalo em janeiro de 2020. Os eventos extremos provocaram "salpicos" no espaço e emitiram ondas gravitacionais que viajaram pelo menos 900 milhões de anos-luz até chegarem à Terra. Em cada caso, a estrela de nêutrons foi provavelmente engolida inteira pelo seu buraco negro parceiro. 

As ondas gravitacionais são perturbações na curvatura do espaço-tempo criadas por objetos massivos em movimento. Durante os cinco anos desde que as ondas foram medidas pela primeira vez, uma descoberta que levou ao Prêmio Nobel da Física em 2017, foram identificados mais de 50 sinais de ondas gravitacionais da fusão de pares de buracos negros e pares de estrelas de nêutrons. Tanto os buracos negros quanto as estrelas de nêutrons são cadáveres de estrelas massivas, sendo os buracos negros ainda mais massivos do que as estrelas de nêutrons. 

Agora, num novo estudo, os cientistas anunciaram a detecção de ondas gravitacionais de dois eventos raros, cada um envolvendo a colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons. As ondas gravitacionais foram detectadas pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) nos EUA e pelo detector Virgo na Itália. O detector KAGRA, no Japão, juntou-se à rede LIGO-Virgo em 2020, mas não estava online durante estas detecções. 

A primeira fusão, detectada no dia 5 de janeiro de 2020, envolveu um buraco negro com cerca de 9 vezes a massa do nosso Sol, e uma estrela de nêutrons com 1,9 massas solares. A segunda fusão foi detectada no dia 15 de janeiro e envolveu um buraco negro com 6 massas solares e uma estrela de nêutrons com 1,5 vezes a massa do Sol.

Os astrônomos passaram décadas à procura de estrelas de nêutrons em órbita de buracos negros na Via Láctea, mas até ao momento sem sucesso. O primeiro dos dois eventos, GW200105, foi observado pelo LIGO em Livingston e pelo detetor Virgo. Produziu um sinal forte no detector LIGO, mas um pequeno sinal de ruído no detector Virgo. O outro detector LIGO, localizado em Hanford, no estado norte-americano de Washington, estava temporariamente offline.

Dada a natureza das ondas gravitacionais, a equipe inferiu que o sinal foi provocado por um buraco negro que colidiu com um objeto compacto com 1,9 massas solares, mais tarde identificado como uma estrela de nêutrons. Esta fusão ocorreu a 900 milhões de anos-luz. Dado que o sinal foi forte em apenas um detector, a localização da fusão no céu permanece incerta, estando em algum lugar numa área com 34.000 vezes o tamanho de uma Lua Cheia.

O segundo evento, GW200115, foi detectado pelos dois detectores LIGO e pelo detector Virgo. O GW 200115 vem da fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons com 1,5 massas solares a cerca de um bilhão de anos-luz da Terra. Usando informações de todos os três instrumentos, os cientistas foram capazes de restringir mais eficazmente a parte do céu onde este evento teve lugar. No entanto, a área localizada é quase 3.000 vezes o tamanho de uma Lua Cheia. 

Os astrônomos foram alertados sobre ambos os eventos logo após estes terem sido detectados em ondas gravitacionais e, posteriormente, procuraram nos céus por flashes associados de luz. Nenhum foi encontrado. Isto não é surpreendente devido à enorme distância das fusões, o que significa que qualquer luz delas proveniente, não importa o comprimento de onda, seria demasiado fraca e difícil de detectar até mesmo com os telescópios mais poderosos. Além disso, as fusões provavelmente não produziram um espetáculo de luz porque os seus buracos negros eram grandes o suficiente para engolir as estrelas de nêutrons por inteiro.

Anteriormente, a rede LIGO-Virgo encontrou duas outras fusões candidatas entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons. Um evento chamado GW190814, detectado no dia 14 de agosto de 2019, envolveu uma colisão de um buraco negro com 23 massas solares e um objeto com cerca de 2,6 massas solares, que poderia ser ou a estrela de nêutrons mais massiva conhecida ou o buraco negro menos massivo conhecido. 

Outro evento candidato, de nome GW190426, e detectado no dia 26 de abril de 2019, foi possivelmente considerado uma fusão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro, mas também podia ser simplesmente o resultado de ruído no detector. 

Tendo observado com confiança dois exemplos de ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros com estrelas de nêutrons, os pesquisadores estimam agora que, até um bilhão de anos-luz da Terra, ocorra aproximadamente uma destas fusões por mês.

Os grupos do LIGO, do Virgo e do KAGRA estão melhorando os seus detectores em preparação da próxima campanha de observação, programada para o verão de 2022. Com uma mais alta sensibilidade, espera-se detectar ondas de fusões até uma vez por dia e melhor medir as propriedades dos buracos negros e da matéria superdensa que constitui as estrelas de nêutrons.

Os resultados foram publicados no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: California Institute of Technology