LIGO-VIRGO-KAGRA DESCOBRE FUSÕES ESQUIVAS DE BURACOS NEGROS COM ESTRELAS DE NEUTRÕES 2 de julho de 2021
Impressão de artista inspirada por uma fusão entre um buraco negro e uma estrela de neutrões.
Crédito: Carl Knox, OzGrav-Universidade de Swinburne
Pela primeira vez, os investigadores confirmaram a deteção de uma colisão entre um buraco negro e uma estrela de neutrões. Na verdade, os cientistas detetaram 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 neutrões 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 Prémio Nobel da Física em 2017, os investigadores identificaram mais de 50 sinais de ondas gravitacionais da fusão de pares de buracos negros e pares de estrelas de neutrões. Tanto os buracos negros quanto as estrelas de neutrões são cadáveres de estrelas massivas, sendo os buracos negros ainda mais massivos do que as estrelas de neutrões.
Agora, num novo estudo, os cientistas anunciaram a deteção de ondas gravitacionais de dois eventos raros, cada um envolvendo a colisão entre um buraco negro e uma estrela de neutrões. As ondas gravitacionais foram detetadas pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) nos EUA e pelo detetor Virgo na Itália. O detetor KAGRA, no Japão, juntou-se à rede LIGO-Virgo em 2020, mas não estava online durante estas deteções.
A primeira fusão, detetada 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 neutrões com 1,9 massas solares. A segunda fusão foi detetada no dia 15 de janeiro e envolveu um buraco negro com 6 massas solares e uma estrela de neutrões com 1,5 vezes a massa do Sol. Os resultados foram publicados dia 29 de junho na revista The Astrophysical Journal Letters.
Os astrónomos passaram décadas à procura de estrelas de neutrões em órbita de buracos negros na Via Láctea, a nossa Galáxia, mas até ao momento sem sucesso. "Com esta nova descoberta de fusões entre buracos negros e estrelas de neutrões, para lá da nossa Galáxia, descobrimos o tipo de binário em falta. Podemos finalmente a começar a entender quantos destes sistemas existem, com que frequência se fundem e porque é que ainda não vimos exemplos na Via Láctea," diz Astrid Lamberts, investigadora do Observatoire de la Côte d'Azur, em Nice, França.
O primeiro dos dois eventos, GW200105, foi observado pelo LIGO em Livingston e pelo detetor Virgo. Produziu um sinal forte no detetor LIGO, mas um pequeno sinal de ruído no detetor Virgo. O outro detetor LIGO, localizado em Hanford, no estado norte-americano de Washington, estava temporariamente offline. Dada a natureza das ondas gravitacionais, a equipa 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 neutrões. Esta fusão ocorreu a 900 milhões de anos-luz.
"Embora vejamos um sinal forte em apenas um detetor, concluímos que é real e não apenas o ruído do detetor. Passa todas as nossas rigorosas verificações de qualidade e destaca-se de todos os eventos de ruído que vemos na terceira campanha de observação," diz Harald Pfeiffer, líder do grupo no departamento de Relatividade Astrofísica e Cosmológica do Instituto Max Planck para Física Gravitacional em Potsdam, Alemanha.
Dado que o sinal foi forte em apenas um detetor, a localização da fusão no céu permanece incerta, estando algures numa área com 34.000 vezes o tamanho de uma Lua Cheia.
"Embora as ondas gravitacionais por si só não revelem a estrutura do objeto menos massivo, podemos inferir a sua massa máxima. Combinando estas informações com previsões teóricas das massas esperadas das estrelas de neutrões num tal sistema binário, concluímos que uma estrela de neutrões é a explicação mais provável," diz Bhooshan Gadre, investigador pós-doutorado do Instituto Max Planck para Física Gravitacional.
O segundo evento, GW200115, foi detetado pelos dois detetores LIGO e pelo detetor Virgo. GW 200115 vem da fusão de um buraco negro com uma estrela de neutrões com 1,5 massas solares a cerca de mil milhões 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 3000 vezes o tamanho de uma Lua Cheia.
Os astrónomos foram alertados sobre ambos os eventos logo após estes terem sido detetados 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 detetar 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 neutrões por inteiro.
"Estes não foram eventos onde os buracos negros 'mastigaram' as estrelas de neutrões como o Monstro das Bolachas, que espalha migalhas por todos os lados. Este 'espalhar de migalhas' é o que produziria luz, e nós não achamos que tal tenha acontecido nestes casos," explica Patrick Brady, professor da Universidade do Wisconsin-Milwaukee e porta-voz da Colaboração Científica LIGO.
Anteriormente, a rede LIGO-Virgo encontrou duas outras fusões candidatas entre um buraco negro e uma estrela de neutrões. Um evento chamado GW190814, detetado 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 neutrões mais massiva conhecida ou o buraco negro menos massivo conhecido. Outro evento candidato, de nome GW190426, e detetado no dia 26 de abril de 2019, foi possivelmente considerado uma fusão entre uma estrela de neutrões e um buraco negro, mas também podia ser simplesmente o resultado de ruído no detetor.
Tendo observado com confiança dois exemplos de ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros com estrelas de neutrões, os investigadores estimam agora que, até mil milhões de anos-luz da Terra, ocorra aproximadamente uma destas fusões por mês.
"Os grupos do LIGO, do Virgo e do KAGRA estão a melhorar os seus detetores em preparação da próxima campanha de observação, programada para o verão de 2022," diz Brady. "Com uma mais alta sensibilidade, esperamos detetar 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 neutrões.
Massas das deteções anunciadas de ondas gravitacionais e de buracos negros e estrelas de neutrões anteriormente restringidas por observações eletromagnéticas. Esta atualização do catálogo GTWC-2 O3a realça as fusões GW200105 + GW200115.
Crédito: LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Universidade Northwestern
