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Os buracos negros do LIGO provavelmente não vieram de uma estrela

Crédito da imagem: Swinburne Astronomy Productions.

Há uma nova teoria por aí de que esses buracos negros em fusão vieram de uma única estrela. Quais são as hipóteses?

Mesmo que a detecção do Fermi seja um alarme falso, os eventos futuros do LIGO devem ser monitorados para acompanhar a luz, independentemente de serem originários de fusões de buracos negros. A natureza sempre pode nos surpreender. – Avi Loeb

Quando o LIGO detectou ondas gravitacionais pela primeira vez, ficamos encantados, mas não surpresos. Os teóricos calcularam exatamente o tipo de sinal sensível ao LIGO que deveria resultar da fusão de dois buracos negros maciços, incluindo a frequência dependente da massa e a amplitude das ondas gravitacionais que resultariam durante as fases de inspiração, fusão e ringdown. No que diz respeito ao sinal da onda gravitacional, não poderíamos ter pedido um melhor alinhamento das previsões teóricas e medições observacionais, em ambos os detectores e com o atraso certo.

Crédito da imagem: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016).

Mas as ondas gravitacionais são apenas uma janela para o Universo. Também podemos procurar luz de todos os comprimentos de onda, inclusive nas energias mais altas: os raios gama. da NASA O satélite Fermi pode procurar explosões de raios gama em ~ 70% do céu de uma só vez, e estava fazendo exatamente isso em 14 de setembro de 2015, quando esses dois buracos negros se fundiram a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância. Com base nos dados do LIGO, eles conseguiram correlacionar um desses sinais - um raio gama estourou na mesma direção do céu - com essa fusão exata do buraco negro, tendo ocorrido apenas 0,4 segundos após o evento LIGO. Isso é um quebra-cabeça, porque explosões de raios gama de curto período devem vir de fusões de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons, não das fusões buraco negro-buraco negro!

A impressão de um artista de duas estrelas orbitando uma à outra e progredindo (da esquerda para a direita) para a fusão com ondas gravitacionais resultantes. Esta é a origem suspeita de explosões de raios gama de curto período. Crédito da imagem: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer.

A razão pela qual isso é um problema é que os raios gama são emitidos a partir de acelerações de alta energia de partículas massivas, normalmente por campos eletromagnéticos intensos. As estrelas de nêutrons têm os campos magnéticos mais fortes conhecidos do Universo e, quando colidem, suas camadas externas (10% delas são feitas de partículas carregadas) emitem uma quantidade catastrófica de radiação de raios gama, capaz de fritar qualquer ser vivo em um raio de trilhões de quilômetros. . Mas buracos negros não têm isso e, portanto, não devem emitir raios gama quando se fundem. Então, se eles fizeram, como eles fizeram isso? Avi Loeb em Harvard recentemente apresentou uma ideia que ganhou muita força : talvez esses buracos negros estivessem se fundindo do interior de uma única estrela solitária.

Crédito da imagem: NASA / SkyWorks Digital, de um buraco negro – e jatos de raios gama – decorrentes da implosão de uma estrela.

Essa ideia é interessante, porque se baseia em uma ideia subestimada na astrofísica: que os buracos negros podem não apenas ser o estado final das estrelas supermassivas, mas que eles podem existir lado de dentro de estrelas densas e massivas, mesmo enquanto ainda estão queimando. Lembre-se de que um buraco negro é simplesmente uma região do espaço onde a matéria é tão densa e a gravidade é tão forte que, mesmo se você se movesse na velocidade da luz, não seria capaz de escapar de sua atração gravitacional. Para estrelas que são centenas de vezes mais massivas que o nosso Sol, ou mesmo para estrelas de nêutrons ultradensas com massa suficiente, talvez a região central - onde as concentrações de massa, densidades e pressões são mais altas - são já buracos negros, mesmo que as camadas externas permaneçam intactas. Então, talvez, segundo o pensamento de Loeb, possa haver dois buracos negros dentro de uma estrela se ela girar rápido o suficiente. Quando esses buracos negros espiralam e se fundem, talvez eles criem a explosão de raios gama que o satélite Fermi viu.

Crédito de imagem: Crédito de imagem: NASA, ESA e G. Bacon (STScI), de um buraco negro binário. A ideia de Loeb é que esses buracos negros binários possam existir dentro de uma única estrela.

A melhor coisa que posso dizer sobre essa ideia é que ela se enquadra na categoria de não automaticamente impossível. O difícil é que mesmo para o rotadores mais rápidos , as próprias estrelas ainda são altamente não relativista , o que significa que eles giram a velocidades bem abaixo (significativamente menos de 10%) da velocidade da luz, enquanto os buracos negros inspiradores estavam se movendo a velocidades muito próximas (cerca de 60%) da velocidade da luz. Enquanto dois buracos negros em fusão e colisão dentro de uma única estrela supermassiva poderiam ter produzido uma explosão de raios gama, existem outras explicações que são altamente consideradas mais prováveis:

1. Os dois buracos negros que se fundiram poderiam ter discos de acreção e, quando os discos colidiram, aqueceram, emitindo raios gama durante a fusão.
2. As duas estrelas progenitoras separadas que levaram aos buracos negros expeliram a maior parte de sua matéria para o espaço ao seu redor, mas parte dessa matéria permaneceu intimamente ligada gravitacionalmente. Quando esses buracos negros se fundiram, a matéria que estava perto o suficiente aqueceu e causou alguma emissão de raios gama.
3. O meio interestelar próximo ao buraco negro continha matéria, e as mudanças nos campos magnéticos durante a fusão (talvez Faz têm fortes campos magnéticos!) causou uma rápida aceleração dessas partículas carregadas, levando a emissões de raios gama.

Dois objetos colapsados, cada um com discos de acreção, localizados muito próximos um do outro. Crédito da imagem: Dana Berry/NASA.

Se eu tivesse que apostar, ficaria com a opção 1, já que esse cenário consiste em coisas que supostamente existem , e fornece um mecanismo simples e agradável não apenas para como isso teria acontecido, mas também explica como há um pequeno atraso (menos de 1 segundo) desde quando as ondas gravitacionais chegaram até quando os fótons chegaram. Nada é certo e é importante explorar todas as possibilidades, mas a explicação de uma única estrela é provavelmente a menos provável de todas. À medida que mais eventos LIGO chegam, e como não usamos apenas o Fermi, mas outros observatórios de raios gama (como o satélite INTEGRAL da ESA), talvez possamos entender essas fusões – e a física que ocorre em seus ambientes – ainda melhor.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !

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