As estrelas de neutrões são o produto final de estrelas massivas e reúnem uma grande parte da massa estelar original numa estrela superdensa com um diâmetro de apenas cerca de dez quilómetros. No dia 17 de agosto de 2017, os investigadores observaram pela primeira vez as várias assinaturas de uma fusão explosiva de duas estrelas de neutrões que se orbitavam uma à outra: ondas gravitacionais e enormes surtos de radiação, incluindo uma explosão de raios gama. Uma equipa de investigação internacional desenvolveu um método para modelar simultaneamente estes sinais observáveis de uma quilonova. Isto permite-lhes descrever com precisão o que acontece exatamente durante uma fusão, como a matéria nuclear se comporta em condições extremas e porque é que o ouro na Terra deve ter sido criado em tais eventos.

Utilizando uma nova ferramenta de software, uma equipa do Instituto Max Planck de Física Gravitacional e da Universidade de Potsdam conseguiu interpretar simultaneamente os vários tipos de dados astrofísicos de uma quilonova. Além disso, podem ser utilizados dados de observações de rádio e raios X de outras estrelas de neutrões, cálculos de física nuclear e até dados de experiências de colisão de iões pesados em aceleradores terrestres. Até agora, as várias fontes de dados têm sido analisadas separadamente e, nalguns casos, os dados têm sido interpretados utilizando modelos físicos diferentes. "Ao analisar os dados de forma coerente e simultânea, obtemos resultados mais precisos", afirma Peter T. H. Pang, cientista da Universidade de Utreque. "O nosso novo método ajudará a analisar as propriedades da matéria a densidades extremas. Também nos permitirá compreender melhor a expansão do Universo e em que medida os elementos pesados se formam durante as fusões de estrelas de neutrões", explica Tim Dietrich, professor da Universidade de Potsdam e chefe de um grupo de bolseiros do Instituto Max Planck de Física Gravitacional.

Condições extremas num laboratório cósmico

Uma estrela de neutrões é um objeto astrofísico superdenso formado no final da vida de uma estrela massiva numa explosão de supernova. Tal como outros objetos compactos, algumas estrelas de neutrões orbitam-se umas às outras em sistemas binários. Perdem energia através da emissão constante de ondas gravitacionais - pequenas ondulações no tecido do espaço-tempo - e acabam por colidir. Estas fusões permitem aos investigadores estudar princípios físicos sob as condições mais extremas do Universo. Por exemplo, as condições destas colisões altamente energéticas levam à formação de elementos pesados como o ouro. De facto, as estrelas de neutrões em fusão são objetos únicos para estudar as propriedades da matéria a densidades muito superiores às encontradas nos núcleos atómicos.

O novo método foi aplicado à primeira e até agora única observação multi-mensageira de fusões de estrelas de neutrões binárias. Neste evento, descoberto a 17 de agosto de 2017, os últimos milhares de órbitas das estrelas em torno uma da outra tinham deformado o espaço-tempo o suficiente para criar ondas gravitacionais, que foram detetadas pelos observatórios terrestres de ondas gravitacionais Advanced LIGO e Advanced Virgo. Quando as duas estrelas se fundiram, foram ejetados elementos pesados recém-formados. Alguns destes elementos decaíram radioactivamente, provocando o aumento da temperatura. Desencadeado por esta radiação térmica, foi detetado um sinal eletromagnético no visível, no infravermelho e no ultravioleta até duas semanas após a colisão. Uma explosão de raios gama, também causada pela fusão da estrela de neutrões, ejetou material adicional. A reação da matéria da estrela de neutrões com o meio circundante produziu raios X e emissões de rádio que puderam ser monitorizadas em escalas de tempo que vão de dias a anos.

Resultados mais precisos para futuras deteções

Os detetores de ondas gravitacionais estão atualmente na sua quarta série de observações. A próxima deteção de uma fusão de estrelas de neutrões pode surgir a qualquer momento e os investigadores estão ansiosos por utilizar a ferramenta que desenvolveram.

// Instituto Max Planck (comunicado de imprensa)
// Universidade de Potsdam (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Communications)
// Artigo científico (arXiv.org)

Quer saber mais?

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

Quilonova:
Wikipedia

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia

GW170817:
LIGO
Wikipedia