Um novo estudo que mostra como a explosão de uma estrela massiva numa supernova pode levar à formação de uma estrela de nêutrons pesada ou de um buraco negro leve resolveu um dos quebra-cabeças mais desafiadores que emergiram da detecção de fusões de estrelas de nêutrons pelos observatórios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo.
© Vigna-Gomez (ilustração da formação de estrelas de nêutrons binárias)
Nos estágios finais da formação de estrelas de nêutrons binárias, a estrela gigante expande-se e engolfa a estrela de nêutrons companheira, num estágio de evolução conhecido como evolução de invólucro comum (a). A ejeção do invólucro deixa a estrela de nêutrons numa órbita próxima com uma estrela de invólucro despojado. A evolução do sistema depende da proporção de massa. Estrelas despojadas menos massivas passam por uma fase de transferência de massa adicional que despoja ainda mais a estrela e recicla a companheira pulsar, levando a sistemas como as estrelas de nêutrons binárias observadas na Via Láctea e nem GW170817 (b). As estrelas despojadas mais massivas não se expandem tanto, evitando assim despojo adicional e reciclagem da companheira, levando a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, estrelas ainda mais massivas e despojadas levarão a binários compostos por uma estrela de nêutrons e por um buraco negro, como GW200115 (d).
A primeira detecção de ondas gravitacionais pelo LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) em 2017 foi oriunda de uma fusão de estrelas de nêutrons que atendeu principalmente às expectativas dos astrofísicos. Mas a segunda detecção, em 2019, foi oriunda da fusão de duas estrelas de nêutrons cuja massa combinada era inesperadamente grande.
Objetos astrofísicos compactos, como estrelas de nêutrons e buracos negros, são difíceis de estudar porque, quando estão estáveis, tendem a ser invisíveis, não emitindo radiação detectável.
As estrelas de nêutrons binárias na Via Láctea são detectáveis quando uma delas é um pulsar, cujas massas são quase todas idênticas, ou seja, não são vistas nenhuma estrela de nêutrons pesada.
A detecção do LIGO de uma fusão de estrelas de nêutrons pesadas a um ritmo semelhante ao sistema binário mais leve implica que os pares de estrelas de nêutrons pesadas devem ser relativamente comuns. Então, porque é que não aparecem na população de pulsares?
No novo estudo, os pesquisadores focaram-se nas supernovas de estrelas despojadas em sistemas binários que podem formar "objetos compactos duplos" consistindo de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Uma estrela despojada, também chamada estrela de hélio, é uma estrela que teve o seu invólucro de hidrogênio removido devido às suas interações com uma estrela companheira.
A pesquisa aplicou modelos estelares detalhados para acompanhar a evolução de uma estrela despojada até ao momento em que explode numa supernova, onde é acompanhada a evolução do gás em explosão.
A estrela despojada, num sistema binário com uma estrela de nêutrons companheira, começa dez vezes mais massiva do que o nosso Sol, mas é tão densa que tem um diâmetro inferior ao do Sol. O estágio final da sua evolução é uma supernova de colapso do núcleo, que deixa para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, dependendo da massa final do núcleo.
Os resultados mostraram que, quando a massiva estrela despojada explode, algumas das suas camadas externas são rapidamente ejetadas do sistema binário. Algumas das suas camadas internas, no entanto, não são ejetadas e eventualmente caem de volta para o objeto compacto recém-formado. A quantidade de material acretado depende da energia da explosão, isto é, quanto maior a energia, menos massa pode manter.
Estes resultados não apenas explicam a formação de estrelas de nêutrons binárias pesadas, como revelado pelo evento de ondas gravitacionais GW190425, mas também preveem a formação de binários compostos por uma estrela de nêutrons e um buraco negro, como aquele que se fundiu no evento de ondas gravitacionais GW200115 de 2020.
Outra descoberta importante é que a massa do núcleo de hélio da estrela despojada é essencial para determinar a natureza das suas interações com a sua estrela de nêutrons companheira e o destino final do sistema binário. Uma estrela de hélio com massa suficiente pode evitar a transferência de massa para a estrela de nêutrons. No entanto, com uma estrela de hélio menos massiva, o processo de transferência de massa pode transformar a estrela de nêutrons num pulsar de rotação rápida.
Quando o núcleo de hélio é pequeno, expande-se e, em seguida, a transferência de massa faz a estrela de nêutrons girar para criar um pulsa. Por outro lado, os núcleos massivos de hélio estão mais ligados gravitacionalmente e não se expandem, de modo que não há transferência de massa. Logo, pode haver uma grande população não detectada de binários de estrelas de nêutrons pesadas na nossa Galáxia. Transferir massa para uma estrela de nêutrons é um mecanismo eficaz para criar pulsares que giram muito depressa (pulsares de milissegundo).
O estudo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.
Fonte: University of California
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