O que acontece quando planetas, estrelas e buracos negros colidem?
Duas estrelas de nêutrons colidindo, que é a fonte primária de muitos dos elementos mais pesados da tabela periódica do Universo. Cerca de 3 a 5% da massa é expelida em tal colisão; o resto torna-se um único buraco negro. (DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.)
O espaço pode ser enorme, mas as colisões são inevitáveis. Aqui está o que acontece quando eles ocorrem.
O Universo como o conhecemos existe há quase 14 bilhões de anos: tempo suficiente para a gravidade puxar a matéria para aglomerados, aglomerados e objetos colapsados. Nos dias atuais, o Universo está cheio de planetas, estrelas, galáxias e estruturas ainda maiores, todos unidos contra o pano de fundo do Universo em expansão.
Mas as coisas não são tão limpas e arrumadas. Por maior que seja o espaço, existem literalmente trilhões de objetos em nossa galáxia, movendo-se em escalas de tempo de bilhões de anos. Alguns dos sistemas que se formam terão vários objetos neles, e colisões entre eles não são apenas prováveis, são inevitáveis. Sempre que ocorre uma colisão ou fusão, isso muda para sempre o que nos resta. Aqui está a história cósmica do que acontece.
Quando um objeto colide com um planeta, ele pode levantar detritos e levar à formação de luas próximas. Este é o lugar de onde a Lua da Terra veio, e também de onde se pensa que as luas de Marte e Plutão também surgiram. (NASA/JPL-CALTECH)
Colisões planeta-planeta . No início do Sistema Solar, provavelmente havia mais de oito planetas. Pode ter havido um quinto gigante gasoso entre Júpiter e Netuno; nossas melhores simulações indicam que ele foi ejetado. Mas no interior do Sistema Solar, acreditamos que houve um mundo do tamanho de Marte que colidiu com uma jovem Terra, dando origem a uma enorme nuvem de detritos que se uniram para criar nossa Lua. A hipótese do impacto gigante foi completamente validada por várias linhas de evidência, inclusive pelas amostras lunares que trouxemos de volta à Terra das missões Apollo.
Em vez das duas luas que vemos hoje, uma colisão seguida por um disco circumplanetário pode ter dado origem a três luas de Marte, onde apenas duas sobrevivem hoje. (LABEX UNIVARTHS / PARIS DIDEROT UNIVERSITY)
Além disso, também temos algumas evidências muito boas que as luas de Marte foram criadas, juntamente com uma terceira, maior que desde então caiu de volta no planeta vermelho, também por uma grande colisão protoplanetária.
De todas as simulações que realizamos e das evidências que acumulamos, planetas rochosos de tamanhos comparáveis colidem com bastante frequência nos estágios iniciais da criação de um sistema solar. Quando eles se chocam, eles criam um único planeta maior, mas com uma nuvem de detritos que se aglutina para formar um satélite grande próximo e vários satélites menores e mais distantes. O sistema Plutão-Caronte é um exemplo espetacular disso, com quatro luas rolantes externas adicionais.
O cenário de inspiração e fusão para anãs marrons tão bem separadas quanto essas duas levaria muito tempo devido às ondas gravitacionais. Mas as colisões são bastante prováveis. Assim como estrelas vermelhas colidindo produzem estrelas azuis retardatárias, colisões de anãs marrons podem produzir estrelas anãs vermelhas. Em escalas de tempo suficientemente longas, esses ‘pontos’ de luz podem se tornar as únicas fontes que iluminam o Universo. (MELVYN B. DAVIES, NATURE 462, 991–992 (2009))
Colisões de anãs marrons . Quer fazer uma estrela, mas não acumulou massa suficiente para chegar lá quando a nuvem de gás que o criou entrou em colapso? Há uma segunda chance disponível para você! As anãs marrons são como gigantes gasosos muito massivos, mais de uma dúzia de vezes mais massivos que Júpiter, que experimentam temperaturas fortes o suficiente (cerca de 1.000.000 K) e pressões em seus centros para acender a fusão de deutério, mas não a fusão de hidrogênio. Eles produzem sua própria luz, permanecem relativamente frios e não são estrelas verdadeiras. Variando em massa de cerca de 1% a 7,5% da massa do Sol, elas são as estrelas fracassadas do Universo.
Mas se você tem dois em um sistema binário, ou dois em sistemas díspares que colidem por acaso, tudo isso pode mudar em um piscar de olhos.
Estas são as duas anãs marrons que compõem Luhman 16, e elas podem eventualmente se fundir para criar uma estrela. (NASA/JPL/OBSERVATÓRIO DE GÊMEOS/AURA/NSF)
A razão para isso é que muito pouco sobre as composições dessas estrelas falhadas muda ao longo do tempo. Eles ainda são feitos de 70 a 75% de hidrogênio cada e, quando se fundem, ainda têm todo esse combustível não queimado. Se a massa total do objeto fundido agora exceder esse limite crítico de 0,075 massas solares, o Universo terá criado uma nova estrela! Com tanta massa em um único objeto, as temperaturas subirão além dos críticos 4.000.000 K para iniciar a fusão de hidrogênio. Em vez de duas anãs marrons, teremos criado uma anã vermelha: uma verdadeira estrela da classe M. O sistema binário de anãs marrons nas proximidades Luhman 16 , a apenas 6,5 anos-luz de distância, está tentadoramente perto de ter os parâmetros exatos necessários para se tornar uma estrela anã vermelha.
Uma seleção do aglomerado globular Terzan 5, uma ligação única ao passado da Via Láctea. Estrelas incrivelmente antigas podem ser encontradas dentro de aglomerados globulares, relíquias de algumas das primeiras “explosões” de formação estelar que ocorreram em nossa vizinhança do Universo. A estrela azul ocasional vista dentro, no entanto, nos diz que há mais na história. (NASA/ESA/HUBBLE/F.FERRARO)
Duas estrelas colidindo . As estrelas vêm em uma ampla variedade de massas, com as de menor massa parecendo mais vermelhas, frias e queimando seu combustível mais lentamente, enquanto as de maior massa são mais azuis, mais quentes e vivem por períodos mais curtos. Quando olhamos para os aglomerados de estrelas, podemos ter uma ideia de quantos anos eles têm observando as estrelas de maior massa que restam, já que as mais massivas morrem mais rápido.
No entanto, quando olhamos para alguns dos aglomerados estelares mais antigos de todos, encontramos uma população de estrelas que são mais azuis e mais quentes do que deveriam estar presentes. Eles simplesmente não combinam com o resto das estrelas que estão ao redor. Esses retardatário azul as estrelas são reais, porém, e têm uma explicação fantástica: colisões estelares.
Estrelas azuis retardatárias, circuladas na imagem inserida, são formadas quando estrelas mais velhas ou até mesmo remanescentes estelares se fundem. Depois que as últimas estrelas se queimarem, o mesmo processo pode trazer luz ao Universo, ainda que brevemente, mais uma vez. (NASA, ESA, W. CLARKSON (INDIANA UNIVERSITY E UCLA) E K. SAHU (STSCL))
Pegue duas (ou mais) estrelas e mescle-as, e elas farão uma única estrela mais massiva. Mesmo quando tudo o que resta são as estrelas mais vermelhas, digamos uma de 0,7 massas solares e uma de 0,8 massas solares, se elas se fundirem, elas podem criar uma estrela mais azul (1,5 massa solar), mesmo que o aglomerado de estrelas em que elas existem seja muito idade para ter uma estrela de 1,5 massa solar restante.
Os retardatários azuis são comuns nos ambientes densos dos aglomerados globulares e demonstram que, mesmo muito tempo depois de todas as estrelas tão massivas quanto o Sol terem queimado, ainda criaremos novas simplesmente por fusões gravitacionais.
O evento final para a astronomia multi-mensageiro seria uma fusão de duas anãs brancas que estavam perto o suficiente da Terra para detectar neutrinos, luz e ondas gravitacionais de uma só vez. Esses objetos são conhecidos por produzir supernovas do Tipo Ia. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))
Colisões de anãs brancas . Então, sua estrela normal da sequência principal viveu sua vida, queimando todo o combustível que jamais queimará. Como remanescente, seu núcleo tornou-se uma estrela anã branca: o futuro destino do nosso Sol. E então, flutuando nas profundezas do espaço interestelar, colidiu com outra estrela anã branca.
ESTRONDO!
As colisões de anãs brancas com anãs brancas levam a supernovas do Tipo Ia, e ainda podem ser a forma mais comum de origem desses cataclismos. Quando tal evento ocorre, as estrelas sofrem uma reação de fusão descontrolada, emitindo uma tremenda quantidade de luz e energia, e destroem completamente as duas anãs brancas que deram origem ao evento. Este é o único tipo de colisão que destrói completamente os dois objetos em colisão.
Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. Os sistemas binários de estrelas de nêutrons também se inspiram e se fundem, mas o par orbital mais próximo que encontramos não se fundirá até quase 100 milhões de anos se passarem. O LIGO provavelmente encontrará muitos outros antes disso. (NSF / LIGO / UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA / A. SIMONNET)
Colisões de estrelas de nêutrons . Surgindo de estrelas ainda mais massivas do que aquelas que dão origem a anãs brancas, as estrelas de nêutrons podem frequentemente existir em sistemas multi-estrelas. Recentemente, observamos duas estrelas de nêutrons em um sistema binário inspirando e se fundindo: um evento kilonova. Quando isso ocorre, uma grande explosão de energia é liberada e uma fração substancial da massa é ejetada. O evento crítico de 2017 que ocorreu marcou a primeira vez que o mesmo objeto foi observado em ondas gravitacionais e radiação eletromagnética.
As massas de remanescentes estelares são medidas de muitas maneiras diferentes. Este gráfico mostra as massas dos buracos negros detectados através de observações eletromagnéticas (roxo); os buracos negros medidos por observações de ondas gravitacionais (azul); estrelas de nêutrons medidas com observações eletromagnéticas (amarelo); e as massas das estrelas de nêutrons que se fundiram em um evento chamado GW170817, que foram detectadas em ondas gravitacionais (laranja). O resultado da fusão foi uma estrela de nêutrons, brevemente, que rapidamente se tornou um buraco negro. (LIGO-VIRGO/FRANK ELAVSKY/NORTHWESTERN)
Se as duas estrelas de nêutrons se fundirem para criar uma única, elas:
- tornar-se uma estrela de nêutrons mais massiva (se o total for inferior a ~ 2,5 massas solares),
- tornar-se uma estrela de nêutrons que gira e depois colapsa em um buraco negro (se o total for inferior a 2,75 massas solares),
- ou colapsa diretamente em um buraco negro (se a massa total for superior a 2,75 massas solares).
Nos próximos anos e décadas, esperamos observar muitos desses eventos para refinar ainda mais a precisão dessas declarações.
Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável ao que o LIGO viu pela primeira vez. Nos centros de algumas galáxias, podem existir buracos negros binários supermassivos, criando um sinal muito mais forte do que esta ilustração mostra. (SXS, O PROJETO SIMULADOR DE ESPAÇOS EXTREMOS (SXS) ( BLACK-HOLES.ORG ))
Colisões de buracos negros . Mescle um buraco negro com um buraco negro e você terá um buraco negro ainda mais massivo. Mas há um problema: até cerca de 5% dessa massa se perde! O primeiro par de buracos negros em fusão que vimos foi um buraco negro de 36 massas solares se fundindo com um buraco negro de 29 massas solares. Mas criou um buraco negro cuja massa final era de apenas 62 massas solares! Um total de três sóis de massa foi simplesmente perdido.
Onde foi? Foi emitido na forma de radiação gravitacional: as ondas gravitacionais que o LIGO detectou a mais de um bilhão de anos-luz de distância. Por um breve momento que dura menos de um segundo, dois buracos negros em fusão podem emitir mais energia para o Universo observável do que todas as estrelas dentro dele combinadas.
O Observatório LIGO Hanford para detecção de ondas gravitacionais no estado de Washington, EUA, é um dos três detectores operacionais que trabalham em conjunto hoje, juntamente com seu gêmeo em Livingston, LA, e o detector VIRGO, agora online e operacional na Itália. (CALTECH/MIT/LIGO LABORATORY)
Outras colisões são esperadas, como buraco negro-estrela de nêutrons, estrela de nêutrons-anã branca, estrela normal de nêutrons, ou mesmo estrela normal de buraco negro. Objetos como galáxias ativas ou microquasares podem ser desencadeados por um buraco negro devorando estrelas ou nuvens de gás. No entanto, ainda temos que observar qualquer uma dessas colisões enquanto elas acontecem, embora tenhamos descoberto um candidato para um objeto Thorne-Zytkow : uma estrela de nêutrons no núcleo de uma estrela gigante vermelha. O espaço pode ser um lugar muito grande, mas está longe de ser vazio. Particularmente dentro de galáxias e aglomerados estelares/globulares, a densidade de planetas, estrelas e remanescentes estelares é enorme, e colisões como essas são inevitáveis. Quaisquer que sejam as consequências, cabe a nós descobrir!
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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