Em um estudo, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Centro de Excelência para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) da Universidade Monash sugere um método inovador para analisar ondas gravitacionais de fusões de estrelas de nêutrons, onde duas estrelas são diferenciadas por tipo (em vez de massa), dependendo da velocidade com que estão girando.

Estrelas de nêutrons são objetos estelares extremamente densos que se formam quando estrelas gigantes explodem e morrem – na explosão, seus núcleos entram em colapso e os prótons e elétrons se fundem para formar uma estrela de nêutrons remanescente.

Em 2017, a fusão de duas estrelas de nêutrons, chamadas GW170817, foi observada pela primeira vez pelos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo. Essa fusão é bem conhecida porque os cientistas também foram capazes de ver a luz produzida a partir dela: raios gama de alta energia, luz visível e microondas. Desde então, uma média de três estudos científicos sobre GW170817 foram publicados todos os dias.

Em janeiro deste ano, as colaborações LIGO e Virgo anunciaram um segundo evento de fusão de estrelas de nêutrons chamado GW190425. Embora nenhuma luz tenha sido detectada, este evento é particularmente intrigante porque as duas estrelas de nêutrons em fusão são significativamente mais pesadas do que GW170817, assim como as estrelas de nêutrons duplas anteriormente conhecidas na Via Láctea.

Os cientistas usam sinais de ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço e do tempo – para detectar pares de estrelas de nêutrons e medir suas massas. A estrela de nêutrons mais pesada do par é chamada de ‘primária’; o mais leve é ​​’secundário’.

O esquema de rotulagem reciclado lento de um sistema binário de estrela de nêutrons

Um sistema estelar de nêutrons binário geralmente começa com duas estrelas comuns, cada uma com cerca de dez a vinte vezes mais massa do que o sol. Quando essas estrelas massivas envelhecem e ficam sem “combustível”, suas vidas terminam em explosões de supernovas que deixam para trás vestígios compactos, ou estrelas de nêutrons. Cada estrela de nêutrons remanescente pesa cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, mas tem um diâmetro de apenas 25 quilômetros.

A primeira estrela de nêutrons geralmente passa por um processo de “reciclagem”: ela acumula matéria de sua estrela emparelhada e começa a girar mais rápido. A segunda estrela de nêutrons não acumula matéria; sua velocidade de rotação também diminui rapidamente. No momento em que as duas estrelas de nêutrons se fundem – milhões a bilhões de anos depois – prevê-se que a estrela de nêutrons reciclada ainda pode estar girando rapidamente, enquanto a outra estrela de nêutrons não reciclada provavelmente girará lentamente.

Outra maneira pela qual um sistema estelar de nêutrons binário pode se formar é por meio de interações em constante mudança em aglomerados estelares densos. Neste cenário, duas estrelas de nêutrons não relacionadas, sozinhas ou em outros sistemas estelares separados, se encontram, se emparelham e, eventualmente, se fundem como um casal feliz devido às suas ondas gravitacionais. No entanto, a modelagem atual de aglomerados estelares sugere que este cenário é ineficaz na fusão das estrelas de nêutrons.

O pesquisador de pós-doutorado do OzGrav e principal autor do estudo, Xingjiang Zhu, diz: ‘A motivação para propor o esquema de rotulação lenta e reciclado de um sistema estelar de nêutrons binário é dupla. Primeiro, é um recurso genérico esperado para fusões de estrelas de nêutrons. Em segundo lugar, pode ser inadequado rotular duas estrelas de nêutrons como primária e secundária porque é mais provável que tenham massas semelhantes e é difícil dizer qual é a mais pesada.”

O recente estudo OzGrav dá uma nova olhada em GW170817 e GW190425 ao adotar o esquema de reciclagem lenta. Foi descoberto que a estrela de nêutrons reciclada em GW170817 está girando apenas suavemente ou mesmo lentamente, enquanto a de GW190425 está girando rapidamente, possivelmente uma vez a cada 15 milissegundos. Também foi descoberto que ambos os eventos de fusão provavelmente contêm duas estrelas de nêutrons de massa quase igual. Como há pouca ou nenhuma evidência de spin em GW170817, e as estrelas de nêutrons diminuem de rotação ao longo do tempo, os pesquisadores deduziram que o binário provavelmente levou bilhões de anos para se fundir. Isso concorda bem com as observações de sua galáxia hospedeira, chamada NGC 4993, onde poucas atividades de formação de estrelas são encontradas nos últimos bilhões de anos.

O pesquisador associado e colaborador do OzGrav Gregory Ashton diz: “Nossa estrutura astrofísica proposta nos permitirá responder a questões importantes sobre o Universo, como existem diferentes mecanismos de explosão de supernova na formação de estrelas de nêutrons binárias? E em que grau as interações dentro de estrelas densas aglomerados contribuem para a formação de fusões de estrelas de nêutrons?”

Os detectores LIGO/Virgo concluíram sua terceira execução conjunta de observação (O3) no início deste ano e estão atualmente realizando manutenção e atualizações programadas. Quando a quarta corrida (O4) começar em 2021, os cientistas estarão prontamente antecipando mais descobertas de fusões de estrelas de nêutrons. A perspectiva será ainda mais brilhante quando o detector subterrâneo japonês KAGRA e o detector LIGO-Índia se juntarem à rede global nos próximos anos.

‘Estamos em uma era de ouro de estudar estrelas de nêutrons binárias com detectores de ondas gravitacionais altamente sensíveis que irão entregar dezenas de descobertas nos próximos anos’, acrescenta Zhu.

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