3494: Estrela de neutrões com 11 km de raio

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Uma típica estrela de neutrões com um raio de 11 km tem mais ou menos o tamanho de uma cidade média.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Uma equipa internacional de investigação liderada por membros do Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) obteve novas medições do tamanho das estrelas de neutrões. Para tal, combinaram uma descrição geral dos primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria das estrelas de neutrões com observações multi-mensageiras da fusão do binário de estrelas de neutrões GW170817. Os seus resultados, publicados na revista Nature Astronomy, são mais rigorosos por um factor de dois do que os limites anteriores e mostram que uma estrela de neutrões típica tem um raio próximo dos 11 quilómetros. Também descobriram que as estrelas de neutrões que se fundem com buracos negros são, na maioria dos casos, provavelmente engolidas inteiras, a menos que o buraco negro seja pequeno e/ou gire rapidamente. Isto significa que, embora tais fusões possam ser observadas como fontes de ondas gravitacionais, seriam invisíveis no espectro electromagnético.

“As fusões de estrelas de neutrões binárias são uma mina de ouro de informações!” diz Collin Capano, investigador do Instituto Albert Einstein em Hannover e autor principal do estudo publicado na Nature Astronomy. “As estrelas de neutrões contêm a matéria mais densa do Universo observável. Na verdade, são tão densas e compactas que podemos pensar de toda a estrela como um único núcleo atómico, ampliado para o tamanho de uma cidade. Ao medir as propriedades destes objectos, aprendemos mais sobre a física fundamental que governa a matéria no nível subatómico.”

“Descobrimos que uma típica estrela de neutrões, que é cerca de 1,4 vezes mais massiva do que o nosso Sol, tem um raio de aproximadamente 11 quilómetros,” diz Badri Krishnan, que liderou a equipa de investigação no Instituto Albert Einstein em Hannover. “Os nossos resultados limitam o raio até provavelmente entre 10,4 e 11,9 quilómetros. É um intervalo duas vezes mais rigoroso do que os resultados anteriores.”

Fusões de estrelas de neutrões binárias como um tesouro astrofísico

As estrelas de neutrões são remanescentes compactos e extremamente densos de explosões de super-nova. São mais ou menos do tamanho de uma cidade e têm até o dobro da massa do nosso Sol. Não sabemos como esta matéria extremamente densa e rica em neutrões se comporta e é impossível criar estas condições num qualquer laboratório da Terra. Os físicos propuseram vários modelos (equações de estado), mas não se sabe qual (se é que existe) destes modelos descreve correctamente a matéria das estrelas de neutrões na natureza.

As fusões de estrelas de neutrões binárias – como GW170817, que foi observada em ondas gravitacionais e em todo o espectro electromagnético em Agosto de 2017 – são os eventos astrofísicos mais excitantes quando se trata de aprender mais sobre a matéria em condições extremas e a física nuclear subjacente. A partir daqui os cientistas podem, por sua vez, determinar as propriedades físicas das estrelas de neutrões, como o raio e a massa.

A equipa de investigação usou um modelo baseado numa descrição dos primeiros princípios de como as partículas subatómicas interagem nas altas densidades encontradas nas estrelas de neutrões. Notavelmente, como mostra a equipa, os cálculos teóricos a escalas inferiores a um bilionésimo de milímetro podem ser comparados com observações de um objecto astrofísico a mais de cem milhões de anos-luz de distância.

“É um pouco incompreensível,” diz Capano. “GW170817 foi provocado pela colisão de dois objectos com o tamanho de uma cidade há 120 milhões de anos, quando os dinossauros ainda vagueavam pela Terra. Isto ocorreu numa galáxia a mais de mil triliões de quilómetros de distância. A partir deste evento, obtivemos informações sobre a física subatómica.”

Qual é o tamanho de uma estrela de neutrões?

A descrição dos primeiros princípios, usada pelos investigadores, prevê uma família inteira de possíveis equações de estado para as estrelas de neutrões, que são directamente derivadas da física nuclear. Desta família, os autores seleccionaram os membros com a maior probabilidade de explicar diferentes observações astrofísicas; escolheram modelos que:

  • concordam com as observações de ondas gravitacionais de GW170817 a partir de dados públicos do LIGO e do Virgo;
  • produzem uma estrela de neutrões hiper-massiva e de vida curta como resultado da fusão;
  • concordam com as restrições conhecidas na massa máxima da estrela de neutrões a partir das observações electromagnéticas de GW170817.

Isto não só permitiu que os cientistas obtivessem informações robustas sobre a física da matéria densa, mas também que obtivessem os limites mais rigorosos, até ao momento, do tamanho das estrelas de neutrões.

Observações futuras de ondas gravitacionais e astronomia multi-mensageira

“Estes resultados são empolgantes, não apenas porque conseguimos melhorar em muito as medições dos raios das estrelas de neutrões, mas porque nos dá uma janela para o destino final das estrelas de neutrões na fusão de binários,” diz Stephanie Brown, co-autora da publicação e estudante de doutoramento no mesmo instituto. Os novos resultados sugerem que, com um evento como GW170817, os detectores LIGO e Virgo, com a sensibilidade projectada, poderão distinguir facilmente, apenas com ondas gravitacionais, a fusão de duas estrelas de neutrões ou de dois buracos negros. Para GW170817, as observações no espectro electromagnético foram cruciais para fazer esta distinção.

A equipa de investigação também descobriu que, para binários mistos (uma estrela de neutrões que se funde com um buraco negro), a existirem apenas ondas gravitacionais da fusão, haverá dificuldade em distinguir estes eventos dos eventos de buracos negros binários. As observações no espectro electromagnético ou de ondas gravitacionais, no rescaldo da fusão, serão cruciais para as diferenciar.

No entanto, os novos resultados também implicam que é improvável que se obtenham observações multi-mensageiras de fusões de binários mistos. “Nós mostrámos que em quase todos os casos a estrela de neutrões não será dilacerada pelo buraco negro, mas engolida por inteiro,” explica Capano. “Somente quando o buraco negro é muito pequeno ou gira rapidamente, é que pode perturbar a estrela de neutrões antes de a engolir; e só então é que podemos esperar ver algo mais além de ondas gravitacionais.”

Um futuro brilhante pela frente

Na próxima década, os detectores existentes de ondas gravitacionais tornar-se-ão ainda mais sensíveis, e detectores adicionais começarão as suas observações. A equipa de investigação espera detecções de ondas gravitacionais mais “audíveis” e possíveis observações multi-mensageiras da fusão de estrelas de neutrões binárias. Cada uma destas fusões proporcionará oportunidades maravilhosas para aprender mais sobre as estrela de neutrões e sobre a física nuclear.

Astronomia On-line
13 de Março de 2020

 

spacenews

 

2899: Primeira identificação de um elemento pesado formado durante a colisão de duas estrelas de neutrões

CIÊNCIA

Com o auxílio de dados recolhidos pelo instrumento X-shooter montado no VLT do ESO, uma equipa de investigadores europeus descobriu assinaturas de estrôncio formado numa fusão de duas estrelas de neutrões. Esta imagem artística mostra duas estrelas de neutrões minúsculas mas muito densas na altura em que se fundem e explodem sob a forma de uma quilonova. Em primeiro plano, vemos uma representação de estrôncio recém formado.
Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Foi detectado pela primeira vez no espaço um elemento pesado recém-formado, o estrôncio, no seguimento de uma fusão de duas estrelas de neutrões. Esta descoberta, feita com observações efectuadas pelo espectrógrafo X-shooter, montado no VLT (Very Large Telescope) do ESO, foi publicada anteontem na revista Nature. A detecção confirma que os elementos mais pesados do Universo se podem formar em fusões de estrelas de neutrões, dando-nos assim a peça que faltava no puzzle da formação de elementos químicos.

Em 2017, no seguimento da detecção das ondas gravitacionais que passaram pela Terra, o ESO apontou os seus telescópios, incluindo o VLT, à fonte destas ondas: uma fusão de estrelas de neutrões chamada GW170817. Os astrónomos suspeitavam que, se os elementos pesados se formassem efectivamente em colisões de estrelas de neutrões, as assinaturas destes elementos poderiam ser detectadas em quilonovas, os resultados explosivos destas fusões. Foi exactamente isso que uma equipa de investigadores europeus fez, usando dados recolhidos pelo instrumento X-shooter, montado no VLT do ESO.

No seguimento da fusão GW170817, o complemento de telescópios do ESO começou a monitorizar a explosão de quilonova emergente num vasto domínio de comprimentos de onda. Em particular, o X-shooter obteve uma série de espectros desde o ultravioleta ao infravermelho próximo. A análise preliminar destes espectros sugeria a presença de elementos pesados na quilonova, mas os astrónomos não conseguiram identificar na altura elementos individuais.

“Ao reanalisar os dados da fusão obtidos em 2017, identificámos a assinatura de um elemento pesado nesta bola de fogo, o estrôncio, provando assim que a colisão de estrelas de neutrões dá origem a este elemento no Universo,” diz o autor principal do estudo, Darach Watson da Universidade de Copenhaga, na Dinamarca. Na Terra, o estrôncio encontra-se no solo de forma natural, estando concentrado em certos minerais. Os seus sais são utilizados para dar ao fogo de artifício uma cor vermelha brilhante.

Os astrónomos conhecem os processos físicos que dão origem aos elementos desde a década de 1950. Nas décadas seguintes, foram sendo descobertas as regiões cósmicas de cada uma destas forjas nucleares principais, excepto uma. “Esta é a fase final de uma busca de longas décadas para descobrir a origem dos elementos,” disse Watson. “Sabemos que os processos que formaram os elementos ocorreram essencialmente em estrelas normais, em explosões de super-novas e nas camadas mais exteriores de estrelas velhas. Mas, até agora, não conhecíamos a localização do processo final, conhecido por captura rápida de neutrões e que deu origem aos elementos mais pesados da tabela periódica.”

A captura rápida de neutrões é um processo no qual um núcleo atómico captura neutrões de modo suficientemente rápido para permitir a formação de elementos muito pesados. Apesar de muitos elementos serem produzidos nos núcleos das estrelas, para criar elementos mais pesados que o ferro, tais como o estrôncio, são necessários meios ainda mais quentes com muitos neutrões livres. A captura rápida de neutrões ocorre naturalmente apenas em ambientes extremos, onde os átomos são bombardeados por um enorme número de neutrões.

“Esta é a primeira vez que conseguimos associar directamente material recém-formado por captura de neutrões com uma fusão de estrelas de neutrões, confirmando assim que as estrelas de neutrões são efectivamente compostas de neutrões e associando a tais fusões o processo de captura rápida de neutrões tão debatido,” diz Camilla Juul Hansen do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, na Alemanha, que desempenhou um papel principal neste estudo.

Os cientistas começam agora finalmente a compreender melhor as fusões de estrelas de neutrões e as quilonovas. Devido ao conhecimento limitado que temos destes fenómenos e a várias complexidades nos espectros que o X-shooter obteve da explosão, os astrónomos não tinham conseguido identificar anteriormente elementos individuais.

“Na realidade, a ideia de que poderíamos estar a ver estrôncio ocorreu-nos pouco depois do evento. No entanto, mostrar que este era de facto o caso revelou-se muito difícil. Esta dificuldade deveu-se ao nosso conhecimento muito incompleto da aparência espectral dos elementos mais pesados da tabela periódica,” disse Jonatan Selsing, da Universidade de Copenhaga, Dinamarca, e outro dos autores principais do artigo científico que descreve estes resultados.

A fusão GW170817 tratou-se da quinta detecção de ondas gravitacionais, tornada possível graças ao LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF nos EUA e ao interferómetro Virgo na Itália. Situada na galáxia NGC 4993, esta fusão foi a primeira, e até à data a única, fonte de ondas gravitacionais onde a contraparte visível foi detectada por telescópios na Terra.

Com os esforços combinados do LIGO, Virgo e VLT, podemos agora compreender melhor os mecanismos interiores das estrelas de neutrões e as suas fusões explosivas.

Astronomia On-line
25 de Outubro de 2019

 

978: OBSERVAÇÕES RÁDIO CONFIRMAM JACTO VELOZ DE MATERIAL DE FUSÃO DE ESTRELAS DE NEUTRÕES

Rescaldo da fusão de duas estrelas de neutrões. Material ejectado da explosão original formou uma concha em redor do buraco negro formado a partir da colisão. Um jacto de material expelido de um disco em redor do buraco negro interagiu em primeiro lugar com o material ejectado para formar um “casulo” amplo. Mais tarde, o jacto conseguiu atravessar o casulo para emergir para o espaço interestelar, onde o seu movimento extremamente rápido se tornou aparente.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Medições precisas usando uma colecção continental de radiotelescópios da NSF (National Science Foundation) revelaram que um jacto estreito de partículas se movendo quase à velocidade da luz irrompeu no espaço interestelar depois que um par de estrelas de neutrões se fundiram numa galáxia a 130 milhões de anos-luz da Terra. A fusão, cujo sinal foi captado em Agosto de 2017, expulsou ondas gravitacionais pelo espaço. Foi o primeiro evento a ser detectado tanto por ondas gravitacionais como por ondas electromagnéticas, incluindo raios-gama, raios-X, luz visível e ondas de rádio.

O rescaldo da fusão, de nome GW170817, foi observado por telescópios espaciais e terrestres espalhados pelo globo. Os cientistas observaram as características das ondas recebidas a mudar com o tempo e usaram essas alterações como pistas para revelar a natureza dos fenómenos que se seguiram à fusão.

Uma questão que se destacou, mesmo meses após a fusão, era se o evento havia produzido ou não um jacto estreito e veloz de material que chegou ao espaço interestelar. É uma questão importante, porque esses jactos são necessários para produzir o tipo de explosões de raios-gama que os teóricos dizem ser provocadas pela fusão de pares de estrelas de neutrões.

A resposta surgiu quando os astrónomos usaram uma combinação do VLBA (Very Long Baseline Array) da NSF, do VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e do GBT (Robert C. Byrd Green Bank Telescope) e descobriram que uma região de emissão de rádio da fusão tinha-se movido e o movimento era tão rápido que apenas um jacto podia explicar a sua velocidade.

“Nós medimos um movimento aparente que é quatro vezes mais rápido do que a luz. Essa ilusão, chamada de movimento superluminal, resulta quando o jacto é apontado quase na direcção da Terra e o material no jacto aproxima-se da velocidade da luz,” comenta Kunal Mooly, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e do Caltech.

Os astrónomos observaram o objecto 75 dias após a fusão e novamente 230 dias depois.

“Com base na nossa análise, este jacto é provavelmente muito estreito, no máximo com 5 graus de largura, e foi apontado a apenas 20 graus da direcção da Terra,” salienta Adam Deller, da Universidade de Tecnologia de Swinburne e anteriormente do NRAO. “Mas, para coincidir com as nossas observações, o material no jacto tem que ter sido expelido a mais de 97% da velocidade da luz,” acrescentou.

O cenário que surgiu é que a fusão inicial das duas estrelas de neutrões super-densas provocou uma explosão que impulsionou uma “concha” esférica de detritos para fora. As estrelas de neutrões colapsaram num buraco negro cuja poderosa gravidade começou a puxar o material na sua direcção. Esse material formou um disco com rotação rápida, que por sua vez gerou um par de jactos que se movem para fora dos seus pólos.

À medida que o evento se desenrolava, a questão alterou-se para determinar se os jactos irromperiam da “concha” de detritos da explosão original. Os dados das observações indicaram que um jacto tinha interagido com os detritos, formando um “casulo” amplo de material que se expandia para fora. Esse casulo expande-se mais lentamente do que um jacto.

“A nossa interpretação é que o casulo dominou a emissão rádio até cerca de 60 dias após a fusão, e que depois o jacto é que dominou a emissão,” comenta Ore Gottlieb, da Universidade de Tel Aviv, um dos principais teóricos do estudo.

“Tivemos a sorte de poder observar este evento, porque se o jacto tivesse sido apontado para muito mais longe da [perspectiva da] Terra, a emissão rádio teria sido demasiado fraca para a detectarmos,” observa Gregg Hallinan do Caltech.

Os cientistas afirmaram que a detecção de um jacto veloz em GW170817 fortalece bastante a ligação entre as fusões de estrelas de neutrões e as explosões de raios-gama de curta duração. Acrescentaram também que é necessário que os jactos apontem para relativamente perto da Terra para que a explosão de raios-gama seja detectada.

“O nosso estudo demonstra que a combinação de observações do VLBA, do VLA e do GBT é um método poderoso de estudar os jactos e a física associada com os eventos de ondas gravitacionais,” realça Mooley.

“O evento de fusão foi importante por várias razões, e continua a surpreender os astrónomos com mais informações,” observa Joe Pesce, director do programa da NSF para o NRAO. “Os jactos são fenómenos enigmáticos vistos em vários ambientes, e agora estas observações extraordinárias na faixa de rádio do espectro electromagnético estão a proporcionar uma visão fascinante sobre elas, ajudando-nos a entender como funcionam.”

Mooley e colegas relataram as suas descobertas na versão online da revista Nature de dia 5 de Setembro.

Astronomia On-line
7 de Setembro de 2018

(Foram corrigidos 42 erros ortográficos ao texto original)

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613: EVENTO DE ONDAS GRAVITACIONAIS PROVAVELMENTE ASSINALOU A FORMAÇÃO DE UM BURACO NEGRO

Depois de duas estrelas separadamente explodirem como super-novas, dois núcleos ultra-densos (isto é, estrelas de neutrões) ficaram para trás. Estas duas estrelas de neutrões estavam tão perto uma da outra que a radiação de ondas gravitacionais puxou-as na direcção uma da outra até que se fundiram e colapsaram num buraco negro. A impressão de artista mostra uma parte fundamental do processo que formou este novo buraco negro, à medida que as duas estrelas de neutrões rodavam uma em torno da outra enquanto se fundiam. O material púrpura ilustra detritos da fusão.
Crédito: ilustração – CXC/M. Weiss; raios-X – NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.

A espectacular fusão de duas estrelas de neutrões que gerou ondas gravitacionais, anunciada no ano passado, provavelmente fez ainda outra coisa: deu azo a um buraco negro. Este buraco negro recém-formado será o buraco negro de menor massa já encontrado.

Um novo estudo analisou dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA obtidos nos dias, semanas e meses após a detecção das ondas gravitacionais pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) e raios-gama pela missão Fermi da NASA no dia 17 de Agosto de 2017.

Embora quase todos os telescópios à disposição dos astrónomos profissionais tenham observado esta fonte, conhecida oficialmente como GW170817, os raios-X do Chandra são cruciais para entender o que aconteceu depois da colisão entre as duas estrelas de neutrões.

A partir dos dados do LIGO, os astrónomos têm uma boa estimativa de que a massa do objecto resultante da fusão das estrelas de neutrões ronda as 2,7 massas solares. Isto coloca-o numa “corda bamba” de identidade, implicando que ou é a estrela de neutrões mais massiva alguma vez encontrada ou o buraco negro de massa mais baixa já descoberto. Os detentores anteriores do recorde para esta última categoria astronómica não têm menos que quatro ou cinco vezes a massa do Sol.

“Embora as estrelas de neutrões e os buracos negros sejam misteriosos, nós estudámos muitos por todo o Universo usando telescópios como o Chandra,” afirma Dave Pooley da Trinity University em San Antonio, no estado norte-americano do Texas, que liderou o estudo. “Isso significa que temos dados e teorias sobre o comportamento de tais objectos na gama dos raios-X.”

As observações do Chandra são reveladoras, não apenas pelo que mostraram, mas também pelo que não mostraram. Se o resultado da fusão das duas estrelas de neutrões fosse uma estrela de neutrões mais massiva, então os astrónomos esperariam que girasse rapidamente e produzisse um campo magnético muito forte. Isto, por sua vez, teria formado uma bolha de partículas altamente energéticas que resultaria numa emissão de raios-X brilhantes. Em vez disso, os dados do Chandra mostram níveis de raios-X que são várias magnitudes mais fracos do que o esperado para uma estrela de neutrões e para uma bolha associada de partículas de alta energia, sugerindo ao invés a formação de um buraco negro.

Se confirmado, este resultado mostra que uma receita para produzir um buraco negro às vezes pode ser complicada. No caso de GW170817, seriam necessárias duas explosões de super-nova para deixar para trás duas estrelas de neutrões numa órbita suficientemente íntima para a radiação de ondas gravitacionais unir as estrelas de neutrões.

“Podemos ter respondido a uma das perguntas mais básicas sobre este evento deslumbrante: o que é que produziu?” comenta o co-autor Pawan Kumar da Universidade do Texas em Austin. “Há muito tempo que os astrónomos suspeitam que as fusões de estrelas de neutrões formariam um buraco negro e produziriam pulsos de radiação, mas não possuíamos até agora evidências fortes.”

Uma observação do Chandra, dois a três dias após o evento, não conseguiu detectar uma fonte, mas observações subsequentes 9, 15 e 16 dias após o evento, resultaram em detecções. A fonte deslizou pouco tempo depois para trás do Sol, mas cerca de 110 dias após o evento o Chandra ainda continuou a observar um aumento de brilho, seguido por uma intensidade comparável em raios-X cerca de 160 dias depois.

Ao comparar as observações do Chandra com aquelas do VLA (Karl G. Jansky Very Large Array), Pooley e colaboradores explicam a emissão de raios-X observada como devida inteiramente à onda de choque – semelhante a um boom sónico de um avião supersónico – da fusão que esmagou o gás circundante. Não existem sinais de raios-X resultantes de uma estrela de neutrões.

A conclusão da equipa de Pooley pode ser testada por observações futuras em raios-X e no rádio. Se o remanescente for uma estrela de neutrões com um campo magnético forte, então a fonte deve ficar muito mais brilhante em raios-X e no rádio daqui a aproximadamente dois anos, quando a bolha de partículas altamente energéticas alcançar a onda de choque em desaceleração. Se for realmente um buraco negro, os astrónomos esperam que continue a ficar mais fraca do que o observado recentemente, à medida que a onda de choque enfraquece.

“GW170817 é um evento astronómico que continua a fornecer surpresas,” comenta J. Craig Wheeler, co-autor do estudo, também da Universidade do Texas. “Estamos a aprender muito sobre a astrofísica dos objectos mais densos conhecidos, somente com este único evento.”

Se as observações subsequentes descobrirem uma estrela de neutrões muito massiva, tal descoberta desafiará as teorias da estrutura das estrelas de neutrões e quão massivas podem ficar.

“No início da minha carreira, os astrónomos só podiam observar estrelas de neutrões e buracos negros na nossa própria Galáxia, e agora estamos a observar estes objectos exóticos em todo o cosmos,” comenta o co-autor Bruce Gossan da Universidade da Califórnia em Berkeley. “Que momento emocionante para estar vivo, para ver instrumentos como o LIGO e o Chandra a mostrarem tantas coisas excitantes que a natureza tem para oferecer.”

O artigo que descreve este resultado aparece na última edição da revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.

Astronomia On-line
5 de Junho de 2018

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