Objeto Cósmico Misterioso Engolido por Buraco Negro Surpreende Astrónomos

O corpo não identificado, revelado pelas ondas gravitacionais, desafia as noções sobre o que acontece quando estrelas massivas morrem em explosões extremas.

Monday, June 29, 2020,
Por Nadia Drake
Uma visualização de dois buracos negros no processo conjunto de espiral e fundição, emitindo ondas gravitacionais. ...

Uma visualização de dois buracos negros no processo conjunto de espiral e fundição, emitindo ondas gravitacionais. As faixas laranja mostram as maiores quantidades de radiação no sistema. A fusão, observada pelos detetores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo no dia 14 de agosto de 2019, revelou que o objeto mais pequeno tem cerca de 2.6 vezes a massa do sol – um tamanho misterioso que pode revelar a fronteira entre o que é uma estrela de neutrões e um buraco negro.

Fotografia de N. FISCHER, S. OSSOKINE, H. PFEIFFER, A. BUONANNO (MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS), SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) COLLABORATION (ILUSTRAÇÃO)


Uma colisão misteriosa foi registada no cosmos.

A cerca de 800 milhões de anos-luz de distância, um buraco negro devorou um objeto não identificado, e a fusão cósmica daí resultante libertou energia suficiente para enrugar o tecido do espaço-tempo. Estas rugas, chamadas ondas gravitacionais, viajaram pelo universo e eventualmente passaram pela Terra no dia 14 de agosto de 2019. No nosso planeta, três detetores com sensibilidade suficiente para medir este tipo de perturbações minúsculas registaram a fusão – e quando os astrónomos descodificaram as informações registadas nas ondas gravitacionais, foram confrontados com um enigma.

A colisão, chamada GW190814, destaca-se das dezenas de fusões cósmicas detetadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO) – uma colaboração que envolve centenas de cientistas – e pelo observatório italiano Virgo. Durante milhões ou milhares de milhões de anos, os dois objetos orbitaram em torno um do outro, com uma espiral cada vez mais próxima, até que finalmente colidiram. Os astrónomos determinaram que um destes objetos era um buraco negro com uma massa equivalente a 23 sóis. O outro, que foi completamente devorado, tinha aproximadamente 2.6 massas solares – e é um objeto misterioso difícil de definir.


“Nós nunca vimos de forma inequívoca algo assim”, diz Vicky Kalogera, da Universidade Northwestern, que coordenou o relatório sobre a fusão publicado no dia 23 de junho na Astrophysical Journal Letters.

O objeto misterioso está exatamente no ponto de inflexão entre ter uma superfície, como uma estrela, e a transformação em poço sem fundo no espaço-tempo, também conhecido por buraco negro. A sua massa coloca-o numa zona turva entre as estrelas de neutrões conhecidas mais pesadas – cadáveres estelares ou os resquícios da explosão de estrelas em supernovas – e os buracos negros mais leves, que se formam quando um remanescente estelar é compacto o suficiente para colapsar num ponto de densidade infinita.

Os cientistas estão tentar descobrir onde é que as estrelas de neutrões terminam e os buracos negros começam, pois este limite pode revelar como é que a matéria se comporta nas condições mais extremas do universo. E como estes objetos exóticos são os pontos finais da evolução estelar, quando todas as estrelas desvanecem, estes objetos podem ser as únicas coisas deixadas à deriva num universo vago. Tudo isto faz com que a identidade do objeto estranho observado em GW190814 seja muito fascinante.

“Se for uma estrela de neutrões, tem uma massa impressionante. Se for um buraco negro, também tem uma massa impressionante”, diz Kalogera. “Seja lá o que for, alertou as nossas antenas no momento em que o observámos.”

À escuta de gravidade
As ondas gravitacionais, que viajam à velocidade da luz, esbatem-se em tudo o que encontram pelo caminho. Mas distorcem o espaço-tempo de forma tão reduzida que são incrivelmente difíceis de detetar. Os detetores LIGO em Washington e no Louisiana e o detetor Virgo em Itália emitem raios laser que refletem nos objetos para medir o tempo que a luz demora a viajar. Quaisquer pequenas alterações no tempo normal de viagem seriam o resultado de uma contratação e expansão do espaço-tempo.

Os empreendimentos de deteção foram bem-sucedidos pela primeira vez em 2015, com uma observação que acabou por ganhar o prémio Nobel da física. Desde então, a maioria das deteções indicou pares de buracos negros em colisão. Os astrónomos também detetaram rugas no espaço-tempo devido à colisão de estrelas de neutrões. Ao contrário das fusões anteriores, os cientistas têm-se esforçado para identificar a verdadeira natureza dos objetos envolvidos em GW190814.

Apesar de o objeto mais pesado ser claramente um buraco negro, o objeto menos massivo é um dos poucos corpos celestes conhecidos na denominada zona de lacuna de massa, entre as estrelas de neutrões e os buracos negros. Algures nesta lacuna, a matéria fica instável e colapsa em buraco negro – e as estrelas de neutrões existem exatamente no limiar desse limite.

“A natureza impõe um limite para a estabilidade da densidade material”, diz Zaven Arzoumanian, do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA. “Mas não sabemos o que é ou o que acontece à matéria nesse limite”, diz Arzoumanian, líder científico do NICER, uma experiência que estuda estrelas de neutrões a partir da Estação Espacial Internacional.

As observações sugerem que as estrelas de neutrões atingem o limite de proporção nas 2.1 massas solares, e a maioria está mais perto das 1.4, diz Feryal Özel, da Universidade do Arizona, que estuda os limites destes objetos. Algumas observações sugerem a existência de estrelas de neutrões ainda mais pesadas – cerca de 2.5 massas solares – mas estes dados ainda não foram consolidados. As teorias que descrevem a física interna das estrelas de neutrões têm dificuldade em estabelecer o que impediria uma estrela de colapsar se aumentasse muito mais.

Do outro lado da lacuna de massa, os buracos negros mais leves que foram observados têm cerca de 5 massas solares. Até recentemente, quase nada habitava nesse meio termo. Um dos objetos, também detetado pelo LIGO, é o produto da colisão entre duas estrelas de neutrões e pesa cerca de 2.7 massas solares.

Para já, não se sabe se nesta fusão o buraco negro devorou outro buraco negro, ou se engoliu uma estrela de neutrões.

Özel diz que, “se for uma estrela de neutrões – e se uma estrela de neutrões puder ser tão massiva quanto 2.6 massas solares – é realmente uma mudança de paradigma”.

Özel e Kalogera suspeitam que o objeto misterioso seja um buraco negro mais leve. “Não temos uma razão física para que um buraco negro não possa ter 2.6 massas solares”, diz Özel. Mas ambas observam que será difícil descobrir exatamente o que é. O sistema está muito longe para poder ser estudado por outros observatórios. Para além disso, as massas iriam obscurecer um dos potenciais indícios: se o buraco negro não fosse tão massivo, seria possível observá-lo a deformar e a destruir uma estrela de neutrões em aproximação, em vez de a engolir por inteiro. Este tipo de “refeição” deixaria traços identificáveis nas ondas gravitacionais.

“Acho que não temos quaisquer probabilidades de identificar este objeto”, diz Özel. “Os sinais reveladores de que pode ter sido uma estrela de neutrões simplesmente não estão lá – mas a sua ausência também não significa nada.”

Origem desconhecida
Mesmo sem saber o que é um dos objetos, os corpos envolvidos na fusão GW190814 são particularmente notáveis porque são muito desproporcionais. A maioria das colisões observadas pelo LIGO e Virgo envolve pares que são relativamente semelhantes em massa; mas com 23 massas solares, este buraco negro é aproximadamente nove vezes mais pesado do que o seu parceiro mais leve.

“Nunca vimos realmente algo assim”, diz Özel. “Isto abre as portas para alguns testes gravitacionais que ainda não conseguimos fazer, e levanta questões sobre a formação destes binários.”

A assimetria do sistema faz com seja difícil para os cientistas explicar a sua origem e ambiente. Por exemplo, nos aglomerados globulares – aglomerados de estrelas antigas e bem unidas que orbitam galáxias – espera-se que os pares de objetos compactos sejam muito mais semelhantes em termos de massa. Dentro das próprias galáxias, os sistemas que evoluem isoladamente podem produzir pares desiguais, mas não se espera que esses sistemas colidam com frequência suficiente para produzir este tipo de observação.

A equipa está a considerar cenários de formação mais exóticos, incluindo a fusão de vários sistemas, aglomerados de estrelas com ligações fracas e ainda objetos presos nos discos de material que rodopiam em torno dos buracos negros supermassivos.

Mas, como acontece muitas vezes com um universo de possibilidades infinitas, existem muitas coisas por descobrir.

“Parte do fascínio das estrelas de neutrões prende-se com o facto de representarem o último ponto de referência para a matéria em colapso gravitacional”, diz Arzoumanian. “Qual é a maior densidade estável que a matéria consegue atingir, até implodir e colapsar dentro do seu próprio horizonte de eventos, antes de desaparecer para sempre?”

 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com.

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