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Novos eventos do LIGO demolim a ideia de uma 'diferença de massa' entre estrelas de nêutrons e buracos negros

Esta simulação mostra a radiação emitida por um sistema binário de buracos negros. Em princípio, deveríamos ter binários de estrelas de nêutrons, binários de buracos negros e sistemas de estrelas de nêutrons-buracos negros, cobrindo toda a faixa de massa permitida. Na prática, vimos uma 'lacuna' de longa data em tais binários entre cerca de 2,5 e 5 massas solares. Com os dados mais recentes do LIGO, essa lacuna parece desaparecer. (Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA)

Há um ano, existia uma lacuna intrigante entre buracos negros e estrelas de nêutrons. Com quase um ano de novos dados, o LIGO resolve o quebra-cabeça.

Na segunda-feira, 16 de março de 2020, o astrofísico Carlos Rodríguez expressou um sentimento ecoado por físicos de ondas gravitacionais em todo o mundo: AGORA NÃO LIGO ! Minutos antes, o A colaboração LIGO enviou um alerta sugerindo que tinha acabado de detectar outro evento de onda gravitacional, o 56ª detecção de candidatos desde o início de sua última coleta de dados em abril de 2019. Este parece indicar a fusão de dois buracos negros, como tantos outros antes dele.

Ao contrário da maioria dos outros, no entanto, este pode ser o prego no caixão da ideia de uma lacuna de massa entre estrelas de nêutrons e buracos negros. Antes do LIGO voltar em abril passado, todos os seus eventos, combinados com estrelas de nêutrons e buracos negros conhecidos, mostraram duas populações distintas: estrelas de nêutrons de baixa massa (abaixo de 2,5 massas solares) e buracos negros de alta massa (5 massas solares). para cima). Este último evento, no entanto, se enquadra na faixa de diferença de massa e pode demolir a ideia de uma vez por todas.

Embora saibamos que os buracos negros devem existir há muito tempo, só conseguimos detectar sua influência gravitacional em outras fontes de luz e matéria. Isso trouxe uma compreensão e medição indireta de suas propriedades, mas somente nos últimos anos, com o advento de observatórios de detecção direta como o LIGO, medimos suas propriedades diretamente. (Getty Images)

Antes de 2015, o ano em que os detectores LIGO avançados gêmeos da National Science Foundation começaram a operar, não sabíamos muito sobre o que havia lá fora, tanto quanto buracos negros e estrelas de nêutrons. Sabíamos que quando as estrelas massivas ficam sem combustível, elas podem acabar com suas vidas em uma explosão catastrófica: uma supernova tipo II. Nesses eventos, o núcleo da estrela colapsa enquanto sofre uma reação de fusão descontrolada, destruindo a estrela no processo.

Isso pode levar à formação de uma estrela de nêutrons para estrelas que estão no lado menor e menos massivo, ou um buraco negro para estrelas no lado mais pesado e massivo. (Há outros fatores mais técnicos em jogo, como a abundância de elementos pesados ​​na estrela.) Em geral, estrelas acima de uma certa massa produzirão buracos negros, enquanto estrelas abaixo de uma certa massa produzirão estrelas de nêutrons.

A anatomia de uma estrela muito massiva ao longo de sua vida, culminando em uma Supernova Tipo II quando o núcleo fica sem combustível nuclear. O estágio final da fusão é tipicamente a queima de silício, produzindo ferro e elementos semelhantes a ferro no núcleo por apenas um breve período antes que uma supernova ocorra. Acreditamos que as supernovas produzem um espectro contínuo de estrelas de nêutrons a buracos negros, mas é possível que exista uma lacuna na distribuição de massa dos remanescentes de supernovas. (Nicole Rager Fuller/NSF)

Mas antes da ativação do LIGO em 2015, não vimos um continuum de massas remanescentes. Para os buracos negros, a principal maneira que tivemos de detectá-los veio de Sistemas binários de raios X : onde uma grande estrela está em uma órbita relativamente próxima com um objeto muito menor, mais denso e colapsado. Esses binários de raios-X podem ter um buraco negro ou uma estrela de nêutrons orbitada por uma estrela doadora, que tem sua massa desviada pelo objeto menor.

O processo de transferência, acreção e aceleração leva à emissão de raios X, o que nos permite inferir a massa do objeto colapsado. Para estrelas de nêutrons, existem outros métodos para medir sua massa também. No entanto, em vez de um espectro contínuo de massas, descobrimos que as estrelas de nêutrons atingem cerca de 2 massas solares, enquanto os buracos negros não começam a aparecer até cerca de 5 massas solares. No meio, parecia não haver nada: o que começamos a chamar de lacuna de massa.

Observar fontes binárias, como buracos negros e estrelas de nêutrons, revelou duas populações de objetos: os de baixa massa abaixo de cerca de 2,5 massas solares e os de alta massa de 5 massas solares e acima. Embora o LIGO e o Virgo tenham detectado buracos negros mais massivos do que isso e uma instância de fusões de estrelas de nêutrons cujo produto pós-fusão cai na região da lacuna, ainda não temos certeza do que persiste lá de outra forma. (Frank Elavsky, Northwestern University e colaborações LIGO-Virgo)

Por um tempo, a maioria das pessoas assumiu que isso não era um efeito real, mas que estávamos vendo os objetos mais fáceis de ver: os buracos negros mais massivos. Quando os primeiros detectores de ondas gravitacionais entraram em operação e começaram a ver eventos, no entanto, eles nos mostraram algumas surpresas.

1. A maioria dos buracos negros que estávamos descobrindo era muito mais massiva do que os buracos negros que estávamos encontrando com binários de raios-X.
2. Buracos negros de massa mais baixa estavam aparecendo, mas nenhum no limiar ou abaixo do limite crítico de 5 massas solares.
3. Estrelas de nêutrons em fusão foram vistas, com uma em particular levando à formação de um buraco negro na faixa de diferença de massa.

Mas era isso. Até onde sabemos, não há estrelas de nêutrons acima de cerca de 2,5 massas solares, e os únicos buracos negros que conhecemos abaixo de 5 massas solares são formados a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons.

Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade ondulante do espaço-tempo representa as ondas gravitacionais emitidas pela colisão, enquanto os feixes estreitos são os jatos de raios gama que disparam apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais (detectadas como uma explosão de raios gama pelos astrônomos). As ondas gravitacionais e a radiação devem viajar na mesma velocidade com uma precisão de 15 dígitos significativos. (NSF / LIGO / Universidade Estadual de Sonoma / A. Simonnet)

Por que isso estava acontecendo? Desde 2010 , os cientistas foram conjecturando possíveis razões astrofísicas por isso. Talvez as explosões de supernovas que criaram estrelas de nêutrons fossem fundamentalmente diferentes de alguma forma das supernovas que criaram buracos negros. Talvez as estrelas que de outra forma formariam esses objetos de diferença de massa experimentassem um destino diferente, como o colapso direto. Talvez sejam apenas as fusões de estrelas de nêutrons que preencham essa lacuna, e é por isso que vimos tão poucas.

Ou, alternativamente, talvez existam muitos desses objetos – todos os quais deveriam ser buracos negros acima de um certo limite (2,5 massas solares para objetos que não giram; 2,75 massas solares para objetos girando rapidamente) – e nossa tecnologia simplesmente não era bom o suficiente para encontrá-los ainda. O Advanced LIGO começou a operar novamente, após uma atualização, em abril de 2019. Quase um ano inteiro desde então, parece ter respondido a essa pergunta.

Quando uma onda gravitacional passa por um local no espaço, ela causa uma expansão e uma compressão em tempos alternados em direções alternadas, fazendo com que os comprimentos dos braços do laser mudem em orientações mutuamente perpendiculares. Explorar essa mudança física é como desenvolvemos detectores de ondas gravitacionais bem-sucedidos, como LIGO e Virgo. (ESA–C. Carreau)

Toda vez que dois objetos massivos se inspiram e se fundem, eles emitem ondas gravitacionais. Se eles tiverem a frequência e a amplitude corretas, um detector de ondas gravitacionais suficientemente preciso deve ser capaz de medir essas ondas à medida que passam. Às vezes, ocorre um alarme falso e o sinal candidato é retraído. Durante aproximadamente o ano passado, no entanto, o sistema de alertas LIGO encontrou uma enorme 56 eventos candidatos que se mantiveram ao longo do tempo , não retraído.

Isso representa um aumento de cerca de 400% em relação a todos os eventos de ondas gravitacionais detectados antes de abril de 2019, com a esmagadora maioria representando fusões massivas de buracos negros-buracos negros. Outros eventos, como fusões de estrelas de nêutrons-estrelas de nêutrons e fusões de estrelas de nêutrons-buracos negros, parecem ter sido detectados também. Mas durante os primeiros meses, mesmo quando esses novos eventos se espalharam, não houve nenhum evento de gap de massa.

Os vários tipos de eventos aos quais o LIGO é conhecido por ser sensível assumem a forma de duas massas que se inspiram e se fundem. Sabemos que buracos negros acima de 5 massas solares são comuns, assim como estrelas de nêutrons abaixo de cerca de 2 massas solares. O intervalo intermediário é conhecido como diferença de massa, um quebra-cabeça que os astrônomos podem ter acabado de resolver. (Christopher Berry/Twitter)

Em 14 de agosto de 2019, o primeiro evento candidato que parecia cair nessa faixa proibida de diferença de massa foi anunciada, mas as esperanças foram rapidamente esmagadas. A análise de acompanhamento indicou que isso foi, em vez disso, uma fusão estrela de nêutrons-buraco negro . Tal evento, se confirmado, ainda seria raro e interessante, mas não uma solução para o problema do gap de massa.

No entanto, os últimos seis meses viram uma explosão nesses eventos, incluindo:

• um evento de gap de massa de 99%+ de probabilidade em 24 de setembro de 2019 ,
• um evento de gap de massa de 95% de probabilidade em 30 de setembro de 2019 ,
• um evento de gap de massa de 99%+ de probabilidade em 15 de janeiro de 2020 ,
• e um evento de gap de massa de 99%+ de probabilidade em 16 de março de 2020 .

Para os buracos negros reais que existem ou são criados em nosso Universo, podemos observar a radiação emitida pela matéria circundante e as ondas gravitacionais produzidas pelas fases inspiral, fusão e ringdown. Embora apenas alguns binários de raios-X sejam conhecidos, o LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais devem ser capazes de preencher qualquer intervalo de massa onde existam buracos negros em abundância. (LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

Há uma chance não desprezível de que alguns desses eventos sejam falsos positivos, mas as probabilidades são baixas. Além disso, graças às contribuições do detector Virgo, a localização do céu para todas essas quatro detecções candidatas (conhecidas como supereventos) é muito boa, e nenhuma contraparte eletromagnética foi vista para nenhuma delas. Tudo é consistente com esses objetos sendo buracos negros, antes e depois de suas fusões.

Se mesmo um desses eventos for real e robusto – com massas progenitoras localizadas entre 2,5 e 5 massas solares – este seria o par de menor massa de buracos negros em fusão já visto em ondas gravitacionais: um novo recorde notável. Mas se até mesmo dois ou três deles forem reais e robustos, as implicações são literalmente alterando o campo, pois isso implicaria que a diferença de massa em si não existe.

Tipos de supernovas em função da massa inicial da estrela e do conteúdo inicial de elementos mais pesados ​​que o hélio (metalicidade). Observe que as primeiras estrelas ocupam a linha inferior do gráfico, sendo livres de metal, e que as áreas pretas correspondem a buracos negros de colapso direto. Para as estrelas modernas, não temos certeza se as supernovas que criam estrelas de nêutrons são fundamentalmente iguais ou diferentes daquelas que criam buracos negros, e se existe uma “lacuna de massa” presente entre elas na natureza. Mas os novos dados do LIGO com certeza apontam para uma resolução. (Fulvio314 / Wikimedia Commons)

Isso não deve ser uma surpresa. A primeira e a segunda execuções do LIGO, que levaram à detecção de mais de uma dúzia de fusões diferentes de buracos negros e estrelas de nêutrons, possuíam uma sensibilidade significativamente menor do que a execução atual. O aumento da sensibilidade (e número) de nossos detectores de ondas gravitacionais significa que podemos detectar objetos agora que não podíamos antes, incluindo:

• em distâncias maiores,
• com proporções de massa mais extremas,
• em limiares de massa mais baixos em geral,
• e por períodos de tempo mais longos, começando mais cedo na fase inspiral do que antes.

Quando as colaborações LIGO e Virgo derem o passo de transformar esses supereventos de detecções de candidatos em eventos publicados e verificados de pleno direito, eles começarão a preencher essa faixa de massa. O que antes era uma lacuna, naquele momento, de repente se tornará preenchido com buracos negros que nunca haviam sido vistos antes.

Quando duas massas compactas se fundem, como estrelas de nêutrons ou buracos negros, elas produzem ondas gravitacionais. A amplitude dos sinais de onda é proporcional às massas dos buracos negros. LIGO e Virgo, combinados, podem finalmente ser sensíveis a massas de buracos negros abaixo do limiar tradicional de diferença de massa. Se as observações preliminares se mantiverem, não haverá mais uma lacuna de massa. (NASA/Ames Research Center/C. Henze)

Durante décadas, sabíamos apenas estrelas de nêutrons que existiam abaixo do dobro da massa do Sol e buracos negros que existiam com cerca de cinco vezes a massa do Sol ou acima. A partir de 2017, começamos a ver estrelas de nêutrons se fundindo para formar buracos negros que caíram nesse intervalo vazio, mas esses eventos foram relativamente infrequentes. No entanto, esta última descoberta – de dois buracos negros de baixa massa se fundindo para formar um buraco negro mais pesado – deve fechar a faixa de diferença de massa para sempre.

O que antes era uma região de incógnitas agora deve ser preenchido por buracos negros. Embora ainda haja muita ciência a fazer para determinar quão raros ou comuns são os buracos negros de diferentes massas, particularmente no domínio das estatísticas populacionais, agora seria muito surpreendente se houvesse uma lacuna nas massas entre estrelas de nêutrons e buracos negros . Os dados mais recentes do LIGO demoliram essa ideia. Apesar dos gritos de AGORA NÃO LIGO , o Universo continua a enviar dados em nossa direção, e nossas descobertas científicas continuam .

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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