Será que a rotação rápida “atrasou” o colapso de duas estrelas de neutrões num buraco negro?

Quando duas estrelas de neutrões espiralam uma em direção à outra e se fundem para formar um buraco negro – um evento registado em 2017 por detetores de ondas gravitacionais e telescópios de todo o mundo – será que se tornam imediatamente num buraco negro? Ou é necessário algum tempo para diminuir a rotação antes do objeto fundido colapsar gravitacionalmente para além do horizonte de eventos num buraco negro?

Observações contínuas dessa fusão de 2017 pelo Observatório de raios-X Chandra, um telescópio espacial, sugerem que o objeto fundido ficou “preso”, provavelmente por apenas um segundo, antes de sofrer o colapso final.

A evidência está sob a forma de um brilho de raios-X da fusão, apelidada GW170817, que não seria de esperar se as estrelas de neutrões fundidas colapsassem imediatamente num buraco negro. O brilho posterior pode ser explicado como um “ressalto” de material das estrelas de neutrões fundidas, que “araram” e aqueceram o material à volta das estrelas de neutrões. Este material quente tem agora mantido o remanescente a brilhar constantemente mais de quatro anos após a fusão ter atirado material para fora no que é referido como uma quilonova. As emissões de raios-X de um jato de material, que foi detetado pelo Chandra pouco tempo após a fusão, já estariam a diminuir caso contrário.

Embora o excesso de emissões de raios-X observado pelo Chandra possa vir de detritos num disco de acreção que gira em redor e este possa eventualmente cair para o buraco negro, a astrofísica Raffaella Margutti da Universidade da Califórnia, Berkeley, favorece a hipótese de colapso retardado, o que está previsto teoricamente.

“Se as estrelas de neutrões fundidas colapsassem diretamente para um buraco negro sem fase intermédia, seria muito difícil explicar este excesso de raios-X que vemos neste momento, porque não haveria superfície dura para o material ressaltar, voar a altas velocidades e assim criar este brilho posterior,” disse Margutti, professora associada de astronomia e de física da UC Berkeley. “Apenas cairia para dentro. Feito. A verdadeira razão pela qual estou cientificamente entusiasmada é a possibilidade de estarmos a ver algo mais do que o jato. Poderíamos finalmente obter alguma informação sobre o novo objeto compacto.”

Margutti e colegas, incluindo a primeira autora Aprajita Hajela, que foi aluna de Margutti quando estava na Universidade Northwestern antes de se mudar para a UC Berkeley, relatam a sua análise do brilho de raios-X num artigo recentemente aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.

O brilho radioativo de uma quilonova

As ondas gravitacionais da fusão foram detetadas pela primeira vez a 17 de agosto de 2017 pelo LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e pela colaboração Virgo. Telescópios terrestres e espaciais rapidamente seguiram o evento e registaram um surto de emissões no visível, no infravermelho e em raios-gama que, em conjunto, confirmaram a teoria de que muitos elementos pesados são produzidos na sequência de tais fusões no interior de material quente ejetado que produzem uma quilonova brilhante. A quilonova brilha devido à luz emitida durante a decomposição de elementos radioativos, como a platina e o ouro, que são produzidos nos detritos da fusão.

O Chandra, também, foi apontado para GW170817, mas só viu raios-X nove dias depois, sugerindo que a fusão também produziu um jato estreito de material que, ao colidir com o material em torno das estrelas de neutrões, emitiu um cone de raios-X que inicialmente falhou a Terra. Só mais tarde é que a cabeça do jato se expandiu e começou a emitir raios-X num jato mais largo visível da Terra.

As emissões de raios-X do jato aumentaram durante 160 dias após a fusão, após os quais desvaneceram à medida que o jato abrandava e se expandia. Mas Hajela e a sua equipa notaram que desde março de 2020 – cerca de 900 dias após a fusão – e até ao final de 2020, o declínio parou e as emissões de raios-X permaneceram aproximadamente constantes em termos de luminosidade.

“O facto de os raios-X terem parado de diminuir rapidamente foi a nossa melhor evidência até agora de que algo para além de um jato está a ser detetado nos raios-X desta fonte,” disse Margutti. “Uma fonte de raios-X completamente diferente parece ser necessária para explicar o que estamos a ver.”

Os investigadores sugerem que o excesso de raios-X é produzido por uma onda de choque distinta dos jatos produzidos pela fusão. Este choque foi o resultado do colapso tardio das estrelas de neutrões fundidas, provavelmente porque a sua rápida rotação contrariou muito brevemente o colapso gravitacional. Ao permanecer por um segundo extra, o material à volta das estrelas de neutrões recebeu um ressalto extra que produziu uma cauda muito rápida de material ejetado por uma quilonova que criou o choque.

“Nós pensamos que a emissão posterior da quilonova é produzida por material ‘chocado’ no meio circumbinário,” disse Margutti. “É o matéria,l que estava no ambiente das duas estrelas de neutrões, que foi chocado e aquecido pela orla mais veloz do material ejetado pela quilonova, que está a conduzir a onda de choque.”

A radiação só nos chega agora porque levou tempo para que o material ejetado pela pesada quilonova fosse desacelerado no ambiente de baixa densidade e para a que energia cinética fosse convertida em calor pelos choques, disse. Este é o mesmo processo que produz rádio e raios-X para o jato, mas como este é muito, muito mais leve, é imediatamente desacelerado pelo ambiente e brilha em raios-X e rádio desde o início.

Uma explicação alternativa, notam os investigadores, é que os raios-X vêm de material que cai em direção ao buraco negro que se formou após a fusão das estrelas de neutrões.

“Esta seria ou a primeira vez que vimos o brilho posterior de uma quilonova ou a primeira vez que vimos material a cair num buraco negro após uma fusão de estrelas de neutrões,” disse o coautor Joe Bright, investigador pós-doutorado da UC Berkeley. “Qualquer dos resultados seria extremamente excitante.”

O Chandra é agora o único observatório ainda capaz de detetar radiação desta colisão cósmica. Contudo, observações de acompanhamento pelo Chandra e por radiotelescópios poderiam distinguir entre as explicações alternativas. Se se tratar do brilho remanescente de uma quilonova, espera-se que a emissão rádio seja detetada novamente nos próximos meses ou anos. Se os raios-X estiverem a ser produzidos por matéria a cair no recém-formado buraco negro, então a emissão de raios-X deverá manter-se estável ou diminuir rapidamente, e nenhuma emissão rádio será detetada ao longo do tempo.

Margutti espera que o LIGO, o Virgo e outros telescópios captem ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas de mais fusões de estrelas de neutrões, para que a série de eventos que antecedem e que se seguem à fusão possam ser localizados com maior precisão e ajudem a revelar a física da formação de buracos negros. Até lá, GW170817 é o único exemplo disponível para estudo.

“Um estudo mais aprofundado de GW170817 poderia ter muitas implicações,” disse a coautora Kate Alexander, investigadora pós-doutorada também da Universidade Northwestern. “A deteção de um brilho remanescente de uma quilonova implicaria que a fusão não produziu imediatamente um buraco negro. Alternativamente, este objeto pode fornecer aos astrónomos uma oportunidade de estudar como a matéria cai num buraco negro alguns anos após o seu nascimento.”

Margutti e a sua equipa anunciaram recentemente que o telescópio Chandra tinha detetado raios-X em observações de GW170817 realizadas em dezembro de 2021. A análise desses dados está em curso. Não foi relatada nenhuma deteção rádio associada aos raios-X.

// Universidade da Califórnia, Berkeley (comunicado de imprensa)
// Chandra/Harvard (comunicado de imprensa)
// Universidade Northwestern (comunicado de imprensa)
// Centro para Astrofísica | Harvard & Smithsonian (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal da Pensilvânia (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais:

Notícias relacionadas:
EurekAlert!
SPACE.com
Universe Today
ScienceDaily
PHYSORG
science alert

GW170817:
LIGO
Wikipedia

Quilonova:
Wikipedia

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

Buracos negros:
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)

Observatório de raios-X Chandra:
NASA
Universidade de Harvard
Wikipedia

LIGO:
Página oficial
Caltech
Advanced LIGO
Wikipedia

Virgo:
EGO
Wikipedia