5244: Afinal, não foram buracos negros. Há uma alternativa exótica para o “tsunami” de ondas gravitacionais

CIÊNCIA/ASTROFÍSICA

Nicolás Sanchis-Gual e Rocío García-Souto
Representação artística da colisão de duas estrelas exóticas, juntamente com as ondas gravitacionais emitidas

No ano passado, cientistas detectaram ondas gravitacionais do que parecia ser a colisão de buracos negros mais massiva alguma vez registada. Agora, uma equipa internacional de astrofísicos propôs uma teoria alternativa.

Uma equipa internacional de investigadores liderada pelo Instituto Galego de Física de Altas Energias e pela Universidade de Aveiro, incluindo um cientista do Departamento de Física da Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK), propôs a colisão de dois objectos compactos exóticos conhecidos por bosões como uma explicação alternativa para a origem do sinal da onda gravitacional GW190521.

As ondas gravitacionais são ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. Previstos na Teoria Geral da Relatividade de Einstein, originam-se nos eventos mais violentos do Universo, levando informações sobre as suas fontes.

Desde 2015, os detectores avançados do Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) e de Virgo têm observado cerca de 50 sinais de ondas gravitacionais originados da coalescência e fusão de duas das entidades mais misteriosas do Universo – buracos negros e estrelas de neutrões.

Em Setembro de 2020, LVC, o órgão conjunto da Colaboração Científica LIGO e da Colaboração Virgo, anunciou a detecção do sinal de onda gravitacional GW190521. De acordo com a análise, o sinal era consistente com a colisão de dois buracos negros de 66 e 85 vezes a massa do Sol, que produziu um buraco negro final de 142 massas solares.  Este último foi o primeiro membro já encontrado de uma nova família de buracos negros – buracos negros de massa intermediária.

De acordo com Tjonnie Li, professor do Departamento de Física da CUHK, esta descoberta foi muito importantes porque estes buracos negros são considerados há muito tempo o elo perdido entre os buracos negros de massa estelar que se formam a partir do colapso das estrelas e os buracos negros super-massivos que se escondem no centro de quase cada galáxia.

Apesar da sua importância, a observação de GW190521 representa um enorme desafio para o entendimento actual da evolução estelar, pois um dos buracos negros fundidos tem um tamanho “proibido”.

Assim, a explicação alternativa proposta pela equipa traz uma nova direcção para o estudo.

“As estrelas exóticas são objectos quase tão compactos como os buracos negros, mas, pelo contrário, não têm uma superfície sem retorno ou horizonte de eventos. Quando colidem, formam um bosão que se pode tornar instável, eventualmente colapsando num buraco negro e produzindo um sinal consistente com o que LVC observou no ano passado”, explicou Nicolás Sanchis-Gual, investigador de pós-doutoramento no Instituto Superior Técnico da Universidade de Aveiro, em comunicado.

“Ao contrário das estrelas regulares, que são feitas do que normalmente conhecemos como matéria, as estrelas exóticas são feitas de bosões ultra-leves. Esses bosões são um dos candidatos mais atraentes para constituir matéria escura, formando cerca de 27% do Universo”, continuou o cientista.

A equipa comparou o sinal GW190521 com simulações de computador de fusões de estrelas exóticas e descobriu que explicam os dados um pouco melhor do que a análise conduzida por LVC. O resultado implica que a fonte teria propriedades diferentes das declaradas anteriormente.

Detectada a mais poderosa colisão de buracos negros. Criou um “tsunami” gravitacional

O LIGO e a Virgo Scientific Collaboration detectaram ondas gravitacionais provenientes da mais massiva colisão de buracos negros já registada….

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“Em primeiro lugar, já não estaríamos a falar sobre a colisão de buracos negros, o que elimina a questão de lidar com um buraco negro proibido. Em segundo lugar, como as fusões de estrelas exóticas são muito mais fracas, inferimos uma distância muito mais próxima do que a estimada por LVC. Isto leva a uma massa muito maior para o buraco negro final, de cerca de 250 massas solares, por isso o facto de termos testemunhado a formação de um buraco negro de massa intermediária permanece verdadeiro”, explicou Juan Calderón Bustillo, antigo professor do Departamento de Física da CUHK.

Segundo Toni Font, professor da Universidade de Valência, embora a análise tenda a favorecer “por design” a hipótese dos buracos negros de fusão, uma fusão de estrelas exóticas é ligeiramente preferida pelos dados, embora de forma inconclusiva.

Apesar da estrutura computacional das actuais simulações de estrelas exóticas ser ainda bastante limitada e sujeita a grandes melhorias, a equipa pretende desenvolver um modelo mais evoluído e estudar observações de ondas gravitacionais semelhantes sob a suposição de fusão de estrelas exóticas.

Este estudo foi publicado em Fevereiro na revista científica Physical Review Letters.

Por Maria Campos
3 Março, 2021


4283: Detectada a mais poderosa colisão de buracos negros. Criou um “tsunami” gravitacional

CIÊNCIA/ASTROFÍSICA

Maxwell Hamilton / Flickr

O LIGO e a Virgo Scientific Collaboration detectaram ondas gravitacionais provenientes da mais massiva colisão de buracos negros já registada. O resultado final criou um buraco negro gigantesco que pertence a uma nova classe.

Um enigma com um século instigado por Albert Einstein chegou ao fim em 2015, quando o LIGO detectou ondas gravitacionais pela primeira vez. Essas ondulações na própria estrutura do espaço-tempo são criadas por alguns dos cataclismos mais poderosos do cosmos, geralmente quando buracos negros ou estrelas de neutrões colidem.

Desde então, nos últimos cinco anos, o LIGO e outras instalações como a Virgo detectaram dezenas de sinais de ondas gravitacionais.

Agora, a Colaboração captou uma onda gravitacional gigante – como se fosse um “tsunami” gravitacional” que sinalizava a presença de uma colisão gigantesca que criou um novo buraco negro com mais de duas vezes a massa de qualquer outro já detectado por ondas gravitacionais.

O sinal, conhecido como GW190521, foi detectado a 21 de Maio de 2019, assumindo a forma de quatro meneios curtos que duraram menos de um décimo de segundo. Parece terem sido as ondas de choque de uma colisão que ocorreu há cerca de seis mil milhões de anos, entre dois buracos negros com massas de cerca de 65 a 85 vezes a massa do Sol.

O buraco negro remanescente que se formou como resultado tem uma massa de 142 vezes a massa do Sol – e as oito massas solares restantes foram convertidas em energia e levadas como ondas gravitacionais.

Isso significa que todos os três buracos negros envolvidos – os dois progenitores e o resultado da fusão – eram muito mais massivos do que quaisquer outros detectados por ondas gravitacionais até agora.

O registo anterior foi um evento chamado GW170729, que viu buracos negros de 50 e 34 massas solares colidirem para criar um buraco negro remanescente de 80 massas solares.

No entanto, esta colisão massiva não é apenas um novo número. Na verdade, levanta várias questões fundamentais sobre os buracos negros. Especificamente, o remanescente cai numa “lacuna de massa” onde buracos negros normalmente não são encontrados.

Os buracos negros como os conhecemos geralmente enquadram-se em duas categorias: existem buracos negros de massa estelar, que têm massas entre cerca de cinco e várias dezenas de massas solares, e existem buracos negros super-massivos, com massas de milhões ou mesmo bilhões de sóis. Isso deixa uma grande lacuna no meio.

Os astrónomos levantaram a hipótese de que pode haver buracos negros de massa intermediária (IMBHs), com massas entre cerca de 100 e 10 mil massas solares. Embora algumas evidências tenham sido encontradas no passado, a sua existência ainda não foi confirmada.

Além disso, com 85 massas solares, o maior dos dois buracos negros que colidiram também era demasiado grande para se formar a partir de uma estrela que se transforma em super-nova. Em vez disso, os cientistas sugerem que engoliu vários buracos negros mais pequenos no passado.

“Esses buracos negros ‘impossivelmente’ massivos podem ser feitos de dois buracos negros mais pequenos que anteriormente se fundiram”, disse Simon Stevenson, um investigador da equipa, em comunicado. “Se for verdade, temos um grande buraco negro feito de buracos negros mais pequenos, com buracos negros ainda mais pequenos dentro deles – como bonecas russas.”

Este cenário sugere um possível mecanismo para a forma como os buracos negros super-massivos se formam. Os buracos negros de massa estelar podem continuar a colidir ao longo de milhões e milhares de milhões de anos, crescendo cada vez mais até que tenham massa suficiente para manter galáxias inteiras juntas.

“Este é um grande passo para entender a ligação entre os buracos negros mais pequenos que foram vistos por detectores de ondas gravitacionais e os buracos negros massivos que são encontrados no centro das galáxias”, disse David Ottaway, co-autor do estudo.

Dois estudos sobre as descobertas foram publicados nas revistas científicas Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters.

ZAP //

Por ZAP
5 Setembro, 2020

 

 

3968: Investigadores descobrem origem e massa máxima de buracos negros observados por detectores de ondas gravitacionais

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Diagrama esquemático do percurso evolutivo de buraco negro binário para GW170729. Uma estrela com menos de 80 massas solares evolui e desenvolve-se numa super-nova de colapso de núcleo. A estrela não sofre instabilidade de par, de modo que não há uma ejecção significativa de massa por pulsação. Depois da estrela formar um núcleo massivo de ferro, colapsa sob a sua própria gravidade e forma um buraco negro abaixo das 38 massas solares. Uma estrela entre 80 e 140 massas solares evolui e transforma-se numa super-nova por instabilidade de par pulsante. Depois da estrela formar um núcleo massivo de carbono-oxigénio, o núcleo sofre uma criação catastrófica de pares electrão-positrão. Isto estimula uma forte pulsação e ejecção parcial dos materiais estelares. Os materiais ejectados formam a nuvem que envolve a estrela. Depois, a estrela continua a evoluir forma um núcleo massivo de ferro, que colapsa de maneira semelhante a uma super-nova comum de colapso de núcleo, mas com um buraco negro com massa final entre 38 e 52 massas solares. Estes dois caminhos podem explicar a origem das massas dos buracos negros binários detectados no evento de ondas gravitacionais GW170729.
Crédito: Shing-Chi Leung et al./Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo

Através de simulações de uma estrela moribunda, uma equipa de físicos teóricos descobriu a origem evolutiva e a massa máxima de buracos negros que são descobertos graças à detecção de ondas gravitacionais.

A excitante descoberta de ondas gravitacionais com o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e com o Virgo mostrou a presença de buracos negros em sistemas binários íntimos.

As massas dos buracos negros observados foram medidas antes da fusão e resultaram numa massa muito maior do que o esperado anteriormente, cerca de 10 vezes a massa do Sol (massa solar). Num destes eventos, GW170729, a massa observada de um buraco negro, antes da fusão, é na realidade tão grande quanto 50 massas solares. Mas não está claro que tipo de estrela pode formar um buraco negro tão massivo, ou qual a massa máxima para um buraco negro observado pelos detectores de ondas gravitacionais.

Para responder a esta pergunta, uma equipa de investigação do Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo estudou o estágio final da evolução de estrelas muito massivas, em particular com 80 a 130 massas solares, em sistemas binários íntimos. O seu achado está ilustrado nos desenhos (a-e) e nos gráficos.

Em sistemas binários íntimos, inicialmente estrelas com 80 a 130 massas solares perdem o seu invólucro rico em hidrogénio e tornam-se estrelas de hélio com 40 a 65 massas solares. Quando as estrelas com massa inicial entre 80 e 130 vezes a do Sol formam núcleos ricos em oxigénio, as estrelas sofrem pulsação dinâmica, porque a temperatura no interior estelar torna-se alta o suficiente para que os fotões sejam convertidos em pares electrão-positrão. Esta “criação de pares” torna o núcleo instável e acelera a contracção para o colapso (ilustração b).

Na estrela super-comprimida, o oxigénio é queimado explosivamente. Isto desencadeia um salto de colapso e em seguida uma rápida expansão da estrela. Uma parte da camada estelar externa é expelida, enquanto a parte mais interna arrefece e colapsa novamente (ilustração c). A pulsação (colapso e expansão) repete-se até que o oxigénio se esgote (ilustração d). Este processo é chamado “instabilidade de par pulsante” (PPI – “pulsational pair-instability”). A estrela forma um núcleo de ferro e colapsa finalmente para um buraco negro, o que desencadeia a explosão de super-nova (ilustração e), chamada super-nova-PPI (PPSISN).

Ao calcularem várias destas pulsações e ejecções associadas de massa até ao colapso da estrela e formação do buraco negro, a equipa descobriu que a massa máxima de um buraco negro formado a partir de uma super-nova-PPI (super-nova por instabilidade de par pulsante) é de 52 massas solares.

As estrelas inicialmente mais massivas do que 130 massas solares (que formam estrelas de hélio com mais de 65 massas solares) passam por uma “super-nova por instabilidade de par” devido à queima explosiva de oxigénio, que interrompe completamente a estrela sem nenhum remanescente de buraco negro. As estrelas acima das 300 massas solares colapsam e podem formar um buraco negro mais massivo do que aproximadamente 150 massas solares.

Os resultados acima preveem a existência de uma “lacuna de massa” na massa do buraco negro entre 52 e aproximadamente 150 massas solares. Os resultados significam que o buraco negro com 50 massas solares em GW170729 é provavelmente o remanescente de uma super-nova por instabilidade de par pulsacional.

O resultado também prevê que um meio circum-estelar massivo seja formado pela perda de massa pulsacional, de modo que a explosão de super-nova associada com a formação do buraco negro induzirá a colisão do material ejectado com o material circum-estelar para se tornar uma super-nova super-luminosa. Os futuros sinais de ondas gravitacionais vão fornecer uma base sobre a qual estas previsões teóricas podem ser testadas.

Astronomia On-line
7 de Julho de 2020

 

 

LIGO-Virgo encontra objecto misterioso na “divisão de massa”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Em Agosto de 2019 a rede de ondas gravitacionais LIGO-Virgo testemunhou a fusão entre um buraco negro com 23 vezes a massa do nosso Sol e um objecto misterioso com 2,6 vezes a massa do Sol. Os cientistas não sabem se o objecto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro, mas de qualquer maneira foi quebrado o recorde de estrela de neutrões mais massiva conhecida ou de buraco negro mais leve conhecido.
Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Quando as estrelas mais massivas morrem, colapsam sob a sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas um pouco menos massivas morrem, explodem numa super-nova e deixam para trás remanescentes densos e mortos de estrelas chamadas estrelas de neutrões. Há décadas que os astrónomos se interessam pela divisão que fica entre as estrelas de neutrões e os buracos negros: a estrela de neutrões mais pesada que se conhece não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso Sol, ou 2,5 massas solares, e o buraco negro mais leve tem aproximadamente 5 massas solares. A questão que permanecia: existe alguma coisa neste intervalo de massas?

Agora, num novo estudo pelos detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e Virgo (na Europa), os cientistas anunciaram a descoberta de um objecto com 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na divisão de massa. O objecto foi encontrado no dia 14 de Agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro com 23 massas solares, criando ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo LIGO e pelo Virgo. O artigo sobre a sua detecção foi aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.

“Esperámos décadas para resolver este mistério,” diz a co-autora Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern. “Não sabemos se este objecto é a estrela de neutrões mais pesada que se conhece ou o buraco negro mais leve que se conhece, mas de qualquer forma quebra um recorde.”

“Isto vai mudar a maneira como os cientistas falam sobre estrelas de neutrões e buracos negros,” diz o co-autor Patrick Brady, professor da Universidade de Wisconsin, Milwaukee, EUA e porta-voz da Colaboração Científica do LIGO. “A divisão de massa pode, de facto, não existir, mas pode ter sido devida a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações o dirão.”

A fusão cósmica descrita no estudo, um evento chamado GW190814, resultou num buraco negro final com aproximadamente 25 vezes a massa do Sol (alguma da massa fundida foi convertida num surto energético de ondas gravitacionais). O recém-formado buraco negro fica a cerca de 800 milhões de anos-luz da Terra.

Antes da fusão dos dois objectos, as suas massas diferiam por um factor de 9, tornando-se na relação de massa mais extrema já conhecida para um evento de ondas gravitacionais. Outro evento relatado recentemente pelo LIGO-Virgo, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma relação de massa de aproximadamente 4:1.

“É um desafio para os modelos teóricos actuais formar pares, em fusão, de objectos compactos com um rácio de massa tão grande na qual o parceiro mais leve reside no hiato de massa entre buracos negros e estrelas de neutrões. Esta descoberta implica que estes eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, tornando-o num objecto de baixa massa realmente intrigante,” explica Kalogera. “O objecto misterioso pode ser uma estrela de neutrões fundindo-se com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, excede as previsões modernas para a massa máxima das estrelas de neutrões, e pode ao invés ser o buraco negro mais leve já detectado”.

Quando os cientistas do LIGO e do Virgo avistaram esta fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronómica. Dúzias de telescópios terrestres e espaciais continuaram à procura, no espectro electromagnético, de sinais do evento, sem resultados positivos. Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, num evento chamado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em Agosto de 2017, envolveu uma colisão escaldante de duas estrelas de neutrões que foi subsequentemente testemunhada por dúzias de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de neutrões são eventos caóticos que lançam matéria para o espaço em todas as direcções e, portanto, espera-se que emitam luz. Inversamente, pensa-se que as fusões que envolvem buracos negros não produzem luz.

De acordo com os cientistas do LIGO e do Virgo, o evento de Agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios que observam no espectro electromagnético por várias razões. Em primeiro lugar, este evento estava seis vezes mais distante do que o evento observado em 2017, dificultando a captação de qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão tivesse envolvido dois buracos negros, provavelmente não teria emitido luz. Em terceiro lugar, se o objecto mais pequeno tivesse sido de facto uma estrela de neutrões, o seu buraco negro parceiro, 9 vezes mais massivo, tê-la-ia engolido toda; uma estrela de neutrões consumida inteira por um buraco negro não emite luz.

“Faz-me lembrar Pac-Man comendo um pontinho,” diz Kalogera. “Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela de neutrões mais pequena pode ser ‘comida’ por inteiro.”

Como é que os investigadores poderão saber se o objecto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro? Observações futuras com o LIGO, Virgo e possivelmente outros telescópios podem capturar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se objectos adicionais existem na divisão de massas.

“Este é o primeiro vislumbre do que poderá ser uma população totalmente nova de objectos binários compactos,” diz Charlie Hoy, membro da Colaboração Científica LIGO e estudante da Universidade de Cardiff. “O que é realmente emocionante é que isto é apenas o começo. À medida que os detectores se tornam cada vez mais sensíveis, vamos observar ainda mais destes sinais e seremos capazes de identificar as populações de estrelas de neutrões e buracos negros no Universo.”

“A divisão de massa tem permanecido um quebra-cabeças interessante durante décadas, e agora detectámos um objecto que encaixa bem nela,” diz Pedro Marronetti, director do programa para física gravitacional da NSF. “Isto não pode ser explicado sem desafiar a nossa compreensão da matéria extremamente densa ou sem desafiar o que sabemos sobre a evolução das estrelas. Esta observação é mais outro exemplo do potencial transformador do campo da astronomia de ondas gravitacionais, que lança luz sobre novas ideias a cada deteção.”

Astronomia On-line
26 de Junho de 2020