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5 fatos que podemos aprender se o LIGO detectar a fusão de estrelas de nêutrons

Renderização em 3D das ondas gravitacionais emitidas por um sistema binário de estrelas de nêutrons na fusão. A região central (em densidade) é esticada por um fator de ~5 para melhor visibilidade. Crédito da imagem: AEI Potsdam-Golm.

Estamos prestes a fazer um avanço para ir além dos buracos negros? Aqui está o que significa se o fizermos!

Está ficando claro que, em certo sentido, o cosmos fornece o único laboratório onde condições suficientemente extremas são alcançadas para testar novas ideias sobre física de partículas. As energias no Big Bang foram muito mais altas do que podemos alcançar na Terra. Então, olhando para as evidências do Big Bang e estudando coisas como estrelas de nêutrons, estamos de fato aprendendo algo sobre física fundamental. – Martin Rees

Se há uma grande diferença entre a Relatividade Geral e a gravidade newtoniana, é esta: na teoria de Einstein, nada dura para sempre. Mesmo se você tivesse duas massas perfeitamente estáveis ​​em órbita uma da outra – massas que nunca queimaram, perderam material ou mudaram de outra forma – suas órbitas acabariam decaindo. Enquanto na gravidade newtoniana, duas massas orbitariam seu centro de gravidade mútuo por uma eternidade, a relatividade nos diz que uma pequena quantidade de energia se perde a cada momento em que uma massa é acelerada pelo campo gravitacional pelo qual passa. Essa energia não desaparece, mas é levada na forma de ondas gravitacionais. Durante longos períodos de tempo, energia suficiente é irradiada para que essas duas massas orbitais se toquem e se fundam. Três vezes, agora, o LIGO viu isso acontecer com buracos negros. Mas isso pode estar prestes a dar o próximo passo , e veja as estrelas de nêutrons se fundirem pela primeira vez.

Quaisquer massas capturadas nesta dança gravitacional emitirão ondas gravitacionais, fazendo com que suas órbitas decaiam. A razão pela qual o LIGO detectou a fusão de buracos negros são três:

1. Eles são incrivelmente maciços,
2. Eles são os objetos mais compactos do Universo,
3. E eles orbitam com a frequência certa, nos estágios finais de fusão, para serem detectáveis ​​pelos braços de laser do LIGO.

Essa combinação – grandes massas, curtas distâncias e a faixa de frequência certa – dá à equipe do LIGO uma enorme área de pesquisa sobre a qual eles são sensíveis à fusão de buracos negros. A muitos bilhões de anos-luz de distância, as ondulações dessas enormes inspirações podem ser sentidas mesmo aqui na Terra.

Mesmo que os buracos negros devam ter um disco de acreção, o sinal eletromagnético esperado para ser gerado por uma fusão buraco negro-buraco negro deveria ser indetectável. Se houver uma contraparte eletromagnética, deve ser causada por estrelas de nêutrons. Crédito da imagem: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).

O Universo tem muitos outros objetos de interesse que produzem ondas gravitacionais de grande magnitude. Buracos negros supermassivos nos centros das galáxias engolem nuvens de gás, planetas, asteróides e até mesmo outras estrelas e buracos negros o tempo todo. Infelizmente, como os horizontes de eventos são muito maiores, eles demoram muito para orbitar e ocorrem na faixa de frequência errada para que o LIGO os veja. Anãs brancas, estrelas binárias e outros sistemas planetários sofrem do mesmo problema: esses objetos são fisicamente muito grandes e, portanto, levam muito tempo para orbitar. Todos eles demoram tanto, na verdade, que precisaríamos de um observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço – como o LISA – para vê-los. Mas há outra esperança para o LIGO que tem essa mesma combinação (massiva, compacta, frequência certa) para ser vista: fundindo estrelas de nêutrons.

À medida que duas estrelas de nêutrons orbitam uma à outra, a teoria da relatividade geral de Einstein prevê o decaimento orbital e a emissão de radiação gravitacional. Nos estágios finais de uma fusão - nunca antes observada em ondas gravitacionais - a amplitude deve atingir um pico tão alto que o LIGO poderia, concebivelmente, detectá-las. Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer.

As estrelas de nêutrons podem não ser tão massivas quanto os buracos negros, mas provavelmente podem ter até duas ou três vezes a massa do Sol: cerca de 10 a 20% da massa dos eventos LIGO detectados anteriormente. Eles são quase tão compactos quanto os buracos negros, com um tamanho físico de apenas dez quilômetros de raio. Mesmo que os buracos negros entrem em colapso para uma singularidade, eles ainda têm um horizonte de eventos, e o tamanho físico de uma estrela de nêutrons (é basicamente apenas um núcleo atômico gigante) é pouco maior que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro. E sua frequência, particularmente nos últimos segundos de uma fusão, se alinha muito, muito bem com o que o LIGO é sensível. Se um evento acontecer no lugar certo, aqui estão cinco fatos incríveis que podemos aprender.

Durante uma inspiração e fusão de duas estrelas de nêutrons, uma tremenda quantidade de energia deve ser liberada, juntamente com elementos pesados, ondas gravitacionais e um sinal eletromagnético, conforme ilustrado aqui. Crédito da imagem: NASA/JPL.

1.) A fusão de estrelas de nêutrons realmente cria explosões de raios gama? Há uma ideia incrível por aí: essa rajadas curtas de raios gama , que são incrivelmente energéticos, mas duram menos de dois segundos, são causados ​​pela fusão de estrelas de nêutrons. Eles ocorrem em galáxias antigas em regiões que não estão formando novas estrelas, sugerindo que apenas cadáveres estelares poderiam explicá-los. Mas até que possamos saber o que levou a uma curta explosão de raios gama, não podemos ter certeza do que os causou. Se o LIGO puder detectar um par de estrelas de nêutrons em fusão em ondas gravitacionais, e pudermos ver uma curta explosão de raios gama imediatamente depois, isso poderá finalmente verificar e validar uma das ideias mais interessantes da astrofísica.

Duas estrelas de nêutrons em fusão, conforme ilustrado aqui, espiralam e emitem ondas gravitacionais, mas são muito mais difíceis de detectar do que os buracos negros. No entanto, ao contrário dos buracos negros, eles devem ejetar uma fração de sua massa de volta ao Universo, onde constitui uma fração significativa dos elementos mais pesados ​​que conhecemos. Crédito da imagem: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

2.) Quando estrelas de nêutrons colidem, quanto de sua massa não tornar-se um buraco negro? Quando você olha para os elementos mais pesados ​​da tabela periódica e pergunta como eles foram feitos, provavelmente pensa que as supernovas são a resposta. Afinal, essa é normalmente a história que os astrônomos contam, e é parcialmente verdadeira. Mas a maioria dos elementos mais pesados ​​da tabela periódica – mercúrio, ouro, tungstênio, chumbo, etc. – são, na verdade, feitos de colisões de estrelas de nêutrons. A maior parte da massa, algo em torno de 90-95%, das estrelas de nêutrons forma um único buraco negro no centro, mas as camadas externas restantes são ejetadas, formando a maioria desses elementos em nossa galáxia. (Nota: se a massa combinada das duas estrelas de nêutrons em fusão estiver abaixo de um certo limite, elas formarão uma estrela de nêutrons central em vez de um buraco negro. Isso deve ser raro, mas não impossível.) Exatamente quanto é ejetado? Se o LIGO detectar tal evento, ele deve nos informar.

Ilustrado aqui está a gama do Advanced LIGO e sua capacidade de detectar a fusão de buracos negros. A fusão de estrelas de nêutrons pode ter apenas um décimo do alcance e 0,1% do volume, mas se as estrelas de nêutrons forem abundantes o suficiente, o LIGO também pode ter uma chance. Crédito da imagem: Colaboração LIGO / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe.

3.) A que distância o LIGO pode ver estrelas de nêutrons em fusão? Esta não é uma questão sobre o próprio Universo, mas sim sobre o quão próximo (ou, concebivelmente, em excesso) a sensibilidade de design avançada do LIGO chegou. Para a luz, se um objeto está 10 vezes mais distante, é apenas 1/100 mais brilhante; mas para ondas gravitacionais, um objeto 10 vezes mais distante tem um sinal de onda gravitacional que ainda é 1/10 mais forte. Os buracos negros podem ser observáveis ​​pelo LIGO a uma distância de muitos milhões de anos-luz, mas as estrelas de nêutrons só podem ser visíveis se se fundirem em um punhado de nossos grandes aglomerados de galáxias mais próximos. Se virmos um, podemos realmente saber o quão bom é o nosso equipamento… e o quão bom ele precisa ser.

Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, como simulado aqui, elas devem criar jatos de explosão de raios gama, bem como outros fenômenos eletromagnéticos que, se próximos o suficiente da Terra, podem ser visíveis com alguns de nossos maiores observatórios. Crédito da imagem: NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz e L. Rezzolla.

4.) Que tipo de brilho deixam as estrelas de nêutrons em fusão? Sabemos, em alguns casos, que eventos fortes consistente com colisões de estrelas de nêutrons ocorreram, e que às vezes deixam assinaturas em outras bandas eletromagnéticas. Não apenas deve haver uma chance razoável de raios gama, mas pode até haver uma contraparte UV, óptica, infravermelha ou de rádio. Ou, talvez, haverá uma contraparte multiespectral, aparecendo em todas as cinco bandas, nessa ordem. Com uma fusão de estrelas de nêutrons ocorrendo tão perto (que o LIGO poderia detectá-la), podemos ter uma oportunidade real de entrar no piso térreo de uma das observações mais incríveis da natureza.

E o maior de todos...

Uma estrela de nêutrons, apesar de ser composta principalmente de partículas neutras, produz os campos magnéticos mais fortes do Universo. Quando as estrelas de nêutrons se fundem, elas devem produzir tanto ondas gravitacionais quanto assinaturas eletromagnéticas. Crédito da imagem: NASA / Casey Reed — Penn State University.

5.) Pela primeira vez, podemos combinar a astronomia de ondas gravitacionais com a astronomia tradicional (baseada na luz). Os eventos anteriores do LIGO foram espetaculares, mas não havia como ver as fusões através de um telescópio. Afinal, todo o cenário tinha duas greves trabalhando contra ele:

• As posições dos eventos não podem ser determinadas com precisão a partir de apenas dois detectores, mesmo em princípio, e
• Acredita-se que as fusões de buracos negros não tenham uma contraparte eletromagnética brilhante (baseada em luz).

Agora que o VIRGO está operacional e sincronizado com os detectores gêmeos LIGO, podemos fazer determinações muito melhores de onde ocorreu um evento de onda gravitacional no espaço. Mas o mais importante, porque as fusões de estrelas de nêutrons devem ter uma contraparte eletromagnética, isso pode marcar a primeira vez que a astronomia de ondas gravitacionais e a astronomia tradicional podem ser usadas para observar o mesmo evento no Universo!

A inspiração e fusão de duas estrelas de nêutrons, conforme ilustrado aqui, deve produzir um sinal de onda gravitacional muito específico, mas o momento da fusão também deve produzir radiação eletromagnética única e identificável como tal. Crédito da imagem: NASA.

Já entramos em uma nova era na astronomia, onde não usamos apenas telescópios, mas interferômetros. Não estamos usando apenas a luz, mas as ondas gravitacionais, para ver e entender o Universo. Se a fusão de estrelas de nêutrons se revelar ao LIGO, mesmo que os eventos sejam raros e a taxa de detecção seja baixa, isso significa que teremos cruzado a próxima fronteira. O céu gravitacional e o céu baseado em luz não serão mais estranhos um para o outro. Em vez disso, estaremos um passo mais perto de entender como os objetos mais extremos do Universo realmente funcionam e teremos uma janela para o nosso cosmos que nenhum humano jamais teve antes.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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