Colisão entre buraco negro e estrela de nêutrons é confirmada pela primeira vez

Pela primeira vez, astrônomos puderam confirmar a detecção da colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, certamente um dos eventos mais extremos do universo. A descoberta por si já é histórica, mas não veio sozinha — foram duas ondas gravitacionais distintas detectadas em um intervalo de apenas dez dias.

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Trata-se dos dois objetos mais densos do universo. Imagine duas bolas extremamente pesadas rodopiando a velocidades próximas à da luz, em torno de si mesmas e ao redor uma da outra, aproximando-se até se chocarem. O resultado é difícil de imaginar, e nem mesmo o vídeo da simulação abaixo é capaz de nos dar uma compreensão aproximada do quão extremo é esse evento

Se você quiser colocar esse cataclismo colossal em perspectiva, pense que uma colher de chá (5 ml) da matéria contida em uma estrela de nêutrons teria cerca de um bilhão de toneladas! Agora pense que estrelas de nêutrons se formam a partir de estrelas que não são massivas o suficiente para formar buracos negros. Ou seja, os buracos negros são ainda mais massivos e infinitamente mais densos.

Os dois eventos, batizados de GW200105_162426 e GW200115_042309, ocorreram há muito tempo, mas as ondulações no espaço-tempo viajaram à velocidade da luz por um longo caminho até chegar aos detectores terrestres do LIGO, Virgo e Kagra. Os três participaram dos estudos, que começaram em janeiro de 2020, quando as detecções foram confirmadas.

Até então, houve algumas poucas ondas gravitacionais candidatas a colisão entre buracos negros e estrelas de nêutrons, mas a confirmação nunca veio. Dessa vez, a descoberta é inequívoca, e abre — ou escancara — portas para a física das reverberações no espaço-tempo. A primeira onda gravitacional aconteceu em 2015, e hoje, com a notícia dos novos eventos, essa área da astrofísica ganha ainda mais força e relevância.

O primeiro evento foi o GW200105_162426, detectado em 5 de janeiro de 2020 (como o nome sugere), e envolveu um buraco negro com 8,9 vezes massa do nosso Sol. Ele colidiu com uma estrela de nêutrons de 1,9 massa solar — pode parecer pouco, mas esse tipo de estrela é um dos objetos mais massivos do cosmos, com um tamanho médio que varia entre 10 km e 30 km de diâmetro. Essa colisão ocorreu há cerca de 900 milhões de anos.

Já o evento GW200115_042309, detectado em 15 de janeiro de 2020, veio de muito mais longe, com suas ondulações percorrendo o espaço-tempo por cerca de 1 bilhão de anos-luz. Previstas por Einstein na teoria da Relatividade Geral, essas ondas são semelhantes àquelas que vemos em um lago quando atiramos uma pedra, e se estendem por todo o universo. O buraco negro que causou o GW200115 tinha 6 massas solares e a estrela de nêutrons era de 1,5 massa solar.

Isso comprova que sistemas binários compostos por um buraco negro e uma estrela de nêutrons existem, de fato. Sistemas dessa natureza foram previstos há décadas, mas ainda não havia evidências observacionais que confirmassem sua existência. "Agora vimos os primeiros exemplos de buracos negros se fundindo com estrelas de nêutrons, então sabemos que eles estão lá", disse a astrônoma de ondas gravitacionais Maya Fishbach da Northwestern University.

Como buracos negros colidem com estrelas de nêutrons?

A história desses dois sistemas deve ter sido muito parecida com a de muitos outros sistemas binários de estrelas comuns. Ambos começaram como duas estrelas normais, mas massivas, orbitando uma ao redor da outra. Um delas era cerca de 20 vezes a massa do Sol e, quando ficou sem combustível em seu núcleo, cresceu como uma supergigante vermelha até quase engolir a estrela companheira com material ultra difuso. Assim, a segunda suga uma grande quantidade desse material difuso, tornando-se mais massiva.

Na sequência, é fácil deduzir que a primeira estrela explodiu, formando um buraco negro, enquanto a segunda explodiu deixando para trás um “caroço”, conhecido como estrela de nêutrons. As duas continuam orbitando entre si, já que o momento angular é mantido, independente da transformação do objeto. Eventualmente, o movimento espiral aproxima os objetos cada vez mais, até que a colisão monstruosa faz chacoalhar as estruturas do espaço-tempo.

O resultado é um buraco negro com a soma das massas de ambos os objetos — salvo parte da massa convertida em energia. Os momentos finais duraram alguns segundos e liberaram energia equivalente a 100 quintilhões de vezes a luminosidade total do Sol. Apesar de toda essa energia, tudo o que havia era a escuridão, já que a estrela de nêutrons foi engolida pelo buraco negro como se ele fosse um enorme Pac-Man cósmico. Então, toda a energia mencionada é transformada em ondas gravitacionais.

Embora os cientistas já saibam desse processo, estamos apenas o início dessa “nova era” da física dos buracos negros (se é que podemos colocar nesses termos), na qual esses objetos misteriosos podem ser fotografados e “escutados” através de ondas gravitacionais. Agora que sistemas binários de buracos negros e estrelas de nêutrons foram confirmados, os cientistas poderão avançar para descobrir como eles são, quais são os limites de tamanhos para seus componentes e quão rápidos eles podem girar.

Fonte: Bad Astronomy, ScienceAlert