3971: 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

 

spacenews

 

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

 

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