Martin Rees disse uma vez: “Está ficando claro que, em certo sentido, o espaço fornece o único laboratório que cria com sucesso condições extremas para testar novas ideias da física de partículas. As energias do Big Bang eram muito mais altas do que podemos alcançar na Terra. Portanto, ao procurar evidências do Big Bang e estudar coisas como estrelas de nêutrons, estamos na verdade estudando a física fundamental."
Se há uma diferença significativa entre a relatividade geral e a gravidade newtoniana, é esta: na teoria de Einstein, nada dura para sempre. Mesmo se você tivesse duas massas absolutamente estáveis orbitando uma a outra - massas que nunca queimariam, perderiam material ou mudariam - suas órbitas decairiam gradualmente. E se, na gravidade newtoniana, duas massas giram em torno de um centro de gravidade comum para sempre, a relatividade geral nos diz que uma pequena quantidade de energia é perdida toda vez que a massa é acelerada pelo campo gravitacional por onde passa. Essa energia não desaparece, mas é carregada na forma de ondas gravitacionais. Em períodos de tempo suficientemente longos, energia suficiente será irradiada para que as duas massas giratórias se toquem e se fundam. O LIGO já observou isso três vezes com os buracos negros. Mas pode ser hora de dar o próximo passo e ver a primeira fusão de estrelas de nêutrons, diz Ethan Siegel do Medium.com.
Quaisquer massas capturadas nesta dança gravitacional irão emitir ondas gravitacionais, fazendo com que a órbita seja interrompida. Existem três razões pelas quais o LIGO descobriu os buracos negros:
1. Eles são incrivelmente enormes
2. Eles são os objetos mais compactos do universo
3. No último momento da fusão, eles giraram na frequência correta para que pudessem ser fixados pelos braços de laser LIGO
Tudo isso junto - grandes massas, distâncias curtas e a faixa de frequência correta - dá à equipe do LIGO uma enorme área de pesquisa na qual eles podem tatear por fusões de buracos negros. As ondulações dessas danças massivas se estendem por muitos bilhões de anos-luz e até chegam à Terra.
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Embora os buracos negros devam ter um disco de acreção, os sinais eletromagnéticos que os buracos negros deveriam gerar permanecem elusivos. Se a parte eletromagnética do fenômeno estiver presente, ela deve ser produzida por estrelas de nêutrons.
O universo tem muitos outros objetos interessantes que produzem grandes ondas gravitacionais. Buracos negros supermassivos no centro das galáxias consomem nuvens de gás, planetas, asteróides e até outras estrelas e buracos negros o tempo todo. Infelizmente, como seus horizontes de eventos são tão grandes, eles se movem extremamente lentamente em órbita e fornecem a faixa de frequência errada para o LIGO detectar. Anãs brancas, estrelas binárias e outros sistemas planetários têm o mesmo problema: esses objetos são fisicamente muito grandes e, portanto, orbitam muito. Tanto tempo que precisaríamos de um observatório espacial de ondas gravitacionais para vê-los. Mas há outra esperança que tem a combinação certa de características (massa, compacidade, a frequência certa) para ser vista pelo LIGO: estrelas de nêutrons fundidas.
Como duas estrelas de nêutrons orbitam uma a outra, a teoria geral da relatividade de Einstein prevê o decaimento orbital e a radiação gravitacional. Nos estágios finais de uma fusão - que nunca foi vista em ondas gravitacionais - a amplitude estará no auge e o LIGO será capaz de detectar o evento.
As estrelas de nêutrons não são tão massivas quanto os buracos negros, mas provavelmente podem ser duas a três vezes mais massivas que o Sol: cerca de 10-20% da massa dos eventos LIGO detectados anteriormente. Eles são quase tão compactos quanto buracos negros, com um tamanho físico de apenas dez quilômetros de raio. Apesar do fato de que os buracos negros colapsam em uma singularidade, eles têm um horizonte de eventos, e o tamanho físico de uma estrela de nêutrons (basicamente apenas um núcleo atômico gigante) não é muito maior do que o horizonte de eventos de um buraco negro. Sua frequência, principalmente nos últimos segundos da fusão, é ótima para a sensibilidade do LIGO. Se o evento acontecer no lugar certo, podemos aprender cinco fatos incríveis.
Durante a espiral de torção e fusão de duas estrelas de nêutrons, uma enorme quantidade de energia deve ser liberada, assim como elementos pesados, ondas gravitacionais e um sinal eletromagnético, como mostrado na imagem.
As estrelas de nêutrons realmente criam explosões de raios gama?
Há uma ideia interessante: as curtas explosões de raios gama, que são incrivelmente energéticas, mas duram menos de dois segundos, são causadas pela fusão de estrelas de nêutrons. Eles se originam de galáxias antigas em regiões onde nenhuma estrela nova nasceu, o que significa que apenas cadáveres estelares podem explicá-los. Mas até que saibamos como a curta explosão de raios gama aparece, não podemos ter certeza do que está causando isso. Se o LIGO puder detectar a fusão de estrelas de nêutrons a partir de ondas gravitacionais, e pudermos ver uma curta explosão de raios gama imediatamente depois disso, será a confirmação final de uma das idéias mais interessantes da astrofísica.
As duas estrelas de nêutrons que se fundem, como mostrado aqui, giram e emitem ondas gravitacionais, mas são mais difíceis de detectar do que os buracos negros. No entanto, ao contrário dos buracos negros, eles devem ejetar parte de sua massa de volta para o Universo, onde contribuirão para lá na forma de elementos pesados.
Quando as estrelas de nêutrons colidem, quanto de sua massa não se torna um buraco negro?
Quando você olha para os elementos pesados da tabela periódica e se pergunta como eles surgiram, uma supernova vem à mente. Afinal, esta história é sustentada por astrônomos e é parcialmente verdadeira. Mas a maioria dos elementos pesados na tabela periódica são mercúrio, ouro, tungstênio, chumbo, etc. - na verdade nasceu em colisões de estrelas de nêutrons. A maior parte da massa das estrelas de nêutrons, da ordem de 90-95%, vai criar um buraco negro no centro, mas as camadas externas restantes são jogadas fora, formando a maioria desses elementos em nossa galáxia. É importante notar que se a massa combinada de duas estrelas de nêutrons em fusão cair abaixo de um certo limite, elas formarão uma estrela de nêutrons, não um buraco negro. Isso é raro, mas não impossível. E não sabemos exatamente quanta massa é lançada durante tal evento. Se o LIGO registrar tal evento, descobriremos.
Ele ilustra o alcance do Advanced LIGO e sua capacidade de detectar fusões de buracos negros. As estrelas de nêutrons que se fundem podem ficar dentro de um décimo da faixa e ter 0,1% do volume normal, mas se houver muitas estrelas de nêutrons, o LIGO encontrará.
Até onde o LIGO pode ver a fusão de estrelas de nêutrons?
Esta questão não é sobre o universo em si, mas sim sobre o quão sensível é o design do LIGO. No caso da luz, se o objeto estiver 10 vezes mais distante, ele será 100 vezes mais escuro; mas com ondas gravitacionais, se o objeto estiver 10 vezes mais longe, o sinal da onda gravitacional será apenas 10 vezes mais fraco. O LIGO pode observar buracos negros a muitos milhões de anos-luz de distância, mas as estrelas de nêutrons só serão visíveis se se aglutinarem em aglomerados galácticos próximos. Se virmos tal fusão, podemos verificar o quão bom é o nosso hardware, ou quão bom deveria ser.
Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, como mostrado aqui, elas devem criar jatos de raios gama, bem como outros fenômenos eletromagnéticos que, se a Terra estiver próxima, serão discerníveis por nossos melhores observatórios.
Que tipo de brilho permanece após a fusão de estrelas de nêutrons?
Sabemos, em alguns casos, que já ocorreram eventos fortes correspondentes a colisões de estrelas de nêutrons e que eles deixam assinaturas em outras bandas eletromagnéticas. Além dos raios gama, podem haver componentes ultravioleta, óticos, infravermelhos ou de rádio. Ou pode ser um componente multiespectral aparecendo em todas as cinco bandas, nessa ordem. Quando o LIGO detecta uma fusão de estrelas de nêutrons, podemos capturar um dos fenômenos mais surpreendentes da natureza.
Uma estrela de nêutrons, embora composta de partículas neutras, produz os campos magnéticos mais fortes do universo. Quando as estrelas de nêutrons se fundem, elas devem produzir ondas gravitacionais e assinaturas eletromagnéticas.
Pela primeira vez, seremos capazes de combinar a astronomia de ondas gravitacionais com a tradicional
Os eventos anteriores capturados pelo LIGO foram impressionantes, mas não tivemos a oportunidade de observar essas fusões através de um telescópio. Nós inevitavelmente enfrentamos dois fatores:
- As posições dos eventos não podem ser determinadas com precisão com apenas dois detectores, em princípio
- Fusões de buracos negros não têm um componente eletromagnético brilhante (luz)
Agora que o VIRGO está trabalhando em sincronia com dois detectores LIGO, podemos melhorar drasticamente nossa compreensão de onde essas ondas gravitacionais são geradas no espaço. Mas o mais importante, uma vez que a fusão de estrelas de nêutrons deve ter um componente eletromagnético, isso pode significar que pela primeira vez a astronomia de ondas gravitacionais e a astronomia tradicional serão usadas juntas para observar o mesmo evento no universo!
A espiral de torção e fusão de duas estrelas de nêutrons, como mostrado aqui, deve resultar em um sinal de onda gravitacional específico. Além disso, o momento da fusão deve criar radiação eletromagnética, única e identificável em si mesmo.
Já entramos em uma nova era da astronomia, onde usamos não apenas telescópios, mas também interferômetros. Usamos não apenas luz, mas também ondas gravitacionais para ver e compreender o universo. Se uma fusão de estrelas de nêutrons aparecer no LIGO, mesmo que seja rara, e a taxa de detecção for baixa, cruzaremos a próxima fronteira. O céu gravitacional e o céu de luz não serão mais estranhos um para o outro. Estaremos um passo mais perto de compreender como funcionam os objetos mais extremos do Universo e teremos uma janela para o nosso espaço que ninguém jamais teve antes.
Ilya Khel
