LIGO-Virgo encontra objeto misterioso na “divisão de massa”

Quando as estrelas mais massivas morrem, colapsam sob a sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas um pouco menos massivas morrem, explodem numa supernova e deixam para trás remanescentes densos e mortos de estrelas chamadas estrelas de neutrões. Há décadas que os astrónomos se interessam pela divisão que fica entre as estrelas de neutrões e os buracos negros: a estrela de neutrões mais pesada que se conhece não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso Sol, ou 2,5 massas solares, e o buraco negro mais leve tem aproximadamente 5 massas solares. A questão que permanecia: existe alguma coisa neste intervalo de massas?

Agora, num novo estudo pelos detetores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e Virgo (na Europa), os cientistas anunciaram a descoberta de um objeto com 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na divisão de massa. O objeto foi encontrado no dia 14 de agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro com 23 massas solares, criando ondas gravitacionais detetadas na Terra pelo LIGO e pelo Virgo. O artigo sobre a sua deteção foi aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.

“Esperámos décadas para resolver este mistério,” diz a coautora Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern. “Não sabemos se este objeto é a estrela de neutrões mais pesada que se conhece ou o buraco negro mais leve que se conhece, mas de qualquer forma quebra um recorde.”

“Isto vai mudar a maneira como os cientistas falam sobre estrelas de neutrões e buracos negros,” diz o coautor Patrick Brady, professor da Universidade de Wisconsin, Milwaukee, EUA e porta-voz da Colaboração Científica do LIGO. “A divisão de massa pode, de facto, não existir, mas pode ter sido devida a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações o dirão.”

A fusão cósmica descrita no estudo, um evento chamado GW190814, resultou num buraco negro final com aproximadamente 25 vezes a massa do Sol (alguma da massa fundida foi convertida num surto energético de ondas gravitacionais). O recém-formado buraco negro fica a cerca de 800 milhões de anos-luz da Terra.

Antes da fusão dos dois objetos, as suas massas diferiam por um fator de 9, tornando-se na relação de massa mais extrema já conhecida para um evento de ondas gravitacionais. Outro evento relatado recentemente pelo LIGO-Virgo, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma relação de massa de aproximadamente 4:1.

“É um desafio para os modelos teóricos atuais formar pares, em fusão, de objetos compactos com um rácio de massa tão grande na qual o parceiro mais leve reside no hiato de massa entre buracos negros e estrelas de neutrões. Esta descoberta implica que estes eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, tornando-o num objeto de baixa massa realmente intrigante,” explica Kalogera. “O objeto misterioso pode ser uma estrela de neutrões fundindo-se com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, excede as previsões modernas para a massa máxima das estrelas de neutrões, e pode ao invés ser o buraco negro mais leve já detetado”.

Quando os cientistas do LIGO e do Virgo avistaram esta fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronómica. Dúzias de telescópios terrestres e espaciais continuaram à procura, no espetro eletromagnético, de sinais do evento, sem resultados positivos. Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, num evento chamado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em agosto de 2017, envolveu uma colisão escaldante de duas estrelas de neutrões que foi subsequentemente testemunhada por dúzias de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de neutrões são eventos caóticos que lançam matéria para o espaço em todas as direções e, portanto, espera-se que emitam luz. Inversamente, pensa-se que as fusões que envolvem buracos negros não produzem luz.

De acordo com os cientistas do LIGO e do Virgo, o evento de agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios que observam no espetro eletromagnético por várias razões. Em primeiro lugar, este evento estava seis vezes mais distante do que o evento observado em 2017, dificultando a captação de qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão tivesse envolvido dois buracos negros, provavelmente não teria emitido luz. Em terceiro lugar, se o objeto mais pequeno tivesse sido de facto uma estrela de neutrões, o seu buraco negro parceiro, 9 vezes mais massivo, tê-la-ia engolido toda; uma estrela de neutrões consumida inteira por um buraco negro não emite luz.

“Faz-me lembrar Pac-Man comendo um pontinho,” diz Kalogera. “Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela de neutrões mais pequena pode ser ‘comida’ por inteiro.”

Como é que os investigadores poderão saber se o objeto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro? Observações futuras com o LIGO, Virgo e possivelmente outros telescópios podem capturar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se objetos adicionais existem na divisão de massas.

“Este é o primeiro vislumbre do que poderá ser uma população totalmente nova de objetos binários compactos,” diz Charlie Hoy, membro da Colaboração Científica LIGO e estudante da Universidade de Cardiff. “O que é realmente emocionante é que isto é apenas o começo. À medida que os detetores se tornam cada vez mais sensíveis, vamos observar ainda mais destes sinais e seremos capazes de identificar as populações de estrelas de neutrões e buracos negros no Universo.”

“A divisão de massa tem permanecido um quebra-cabeças interessante durante décadas, e agora detetámos um objeto que encaixa bem nela,” diz Pedro Marronetti, diretor do programa para física gravitacional da NSF. “Isto não pode ser explicado sem desafiar a nossa compreensão da matéria extremamente densa ou sem desafiar o que sabemos sobre a evolução das estrelas. Esta observação é mais outro exemplo do potencial transformador do campo da astronomia de ondas gravitacionais, que lança luz sobre novas ideias a cada deteção.”

// LIGO (comunicado de imprensa)
// Virgo (comunicado de imprensa)
// Caltech (comunicado de imprensa)
// Universidade de Northwestern (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal da Pensilvânia (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal da Califórnia em Fullerton (comunicado de imprensa)
// Instituto Max Planck para Física Gravitacional (comunicado de imprensa)
// Universidade de Birmingham (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico (LIGO DCC – PDF)

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GW190814:
LIGO
Dados científicos (GWOSC)
Wikipedia

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais – Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço – Universe Today
Detetores: como funcionam – Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais – Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

Buracos negros:
Wikipedia

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

LIGO:
Página oficial
Caltech
Advanced LIGO
Wikipedia

Virgo:
EGO
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