Agora que os cientistas podem detectar as distorções wiggly no espaço-tempo criadas pela fusão de buracos negros massivos, eles estão voltando seus olhos para a dinâmica e as consequências de outras duplas cósmicas que se unem em colisões catastróficas.

Trabalhando com uma equipe internacional, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveram novos modelos de computador para explorar o que acontece quando um buraco negro se junta a uma estrela de nêutrons - o remanescente superdenso de uma estrela que explodiu.

Usando supercomputadores para abrir estrelas de nêutrons

As simulações, realizado em parte no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab, destinam-se a ajudar os detectores a identificar os sinais das ondas gravitacionais. Telescópios, também, pode pesquisar as explosões brilhantes de raios gama e o brilho da matéria radioativa que esses eventos exóticos podem lançar no espaço circundante.

Em artigos separados publicados em uma edição especial da revista científica Gravidade Clássica e Quântica , O Berkeley Lab e outros pesquisadores apresentam os resultados de simulações detalhadas.

Um dos estudos modela os primeiros milissegundos (milésimos de segundo) na fusão de um buraco negro e estrela de nêutrons, e os outros detalham simulações separadas que modelam a formação de um disco de material formado em segundos após a fusão, e da evolução da matéria que é ejetada na fusão.

Essa matéria ejetada provavelmente inclui ouro e platina e uma série de elementos radioativos que são mais pesados ​​que o ferro.

Qualquer nova informação que os cientistas possam reunir sobre como as estrelas de nêutrons se separam nessas fusões pode ajudar a desvendar seus segredos, já que sua estrutura interna e seu provável papel em semear o universo com elementos pesados ​​ainda estão envoltos em mistério.

"Estamos constantemente adicionando física mais realista às simulações, "disse - Foucart, que atuou como autor principal de um dos estudos como pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley.

"Mas ainda não sabemos o que está acontecendo dentro das estrelas de nêutrons. A física complicada que precisamos modelar torna as simulações muito intensas em termos computacionais."

Encontrando sinais de fusão buraco negro-estrela de nêutrons

Foucart, que em breve será um professor assistente na Universidade de New Hampshire, adicionado, "Estamos tentando avançar mais no sentido de realmente fazer modelos dos sinais de ondas gravitacionais produzidos por essas fusões, "que criam uma ondulação no espaço-tempo que os pesquisadores esperam que possa ser detectada com melhorias na sensibilidade de experimentos, incluindo o Advanced LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser.

Em fevereiro de 2016, Os cientistas do LIGO confirmaram a primeira detecção de uma onda gravitacional, que se acredita ser gerado pela fusão de dois buracos negros, cada um com massas cerca de 30 vezes maiores que o sol.

Espera-se que os sinais de uma estrela de nêutrons se fundindo com os buracos negros ou de outra estrela de nêutrons gerem ondas gravitacionais que são ligeiramente mais fracas, mas semelhantes às das fusões buraco negro-buraco negro, Disse Foucart.

'Resíduos' radioativos no espaço

Daniel Kasen, um cientista da Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley e professor associado de física e astronomia da UC Berkeley que participou da pesquisa, disse que dentro das estrelas de nêutrons "pode ​​haver estados exóticos da matéria, diferentes de qualquer coisa realizada em qualquer outro lugar do universo".

Em algumas simulações de computador, as estrelas de nêutrons foram engolidas inteiras pelo buraco negro, enquanto em outros houve uma fração de matéria tossida para o espaço. Estima-se que essa matéria ejetada alcance cerca de um décimo da massa do sol.

Embora grande parte da matéria seja sugada para o buraco negro maior que se forma a partir da fusão, "o material que é lançado acaba se transformando em um tipo de lixo radioativo, '", disse ele." Você pode ver o brilho radioativo desse material por um período de dias ou semanas, de mais de cem milhões de anos-luz de distância. "Os cientistas referem-se a esse brilho radioativo observável como uma" kilonova ".

As simulações usam diferentes conjuntos de cálculos para ajudar os cientistas a visualizar como a matéria escapa dessas fusões. Modelando a velocidade, trajetória, quantidade e tipo de assunto, e até mesmo a cor da luz que ele emite, os astrofísicos podem aprender como rastrear eventos reais.

O estranho mundo das estrelas de nêutrons

A faixa de tamanho das estrelas de nêutrons é definida pelo limite de quão densa a matéria pode ser compactada, e estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais superdensos que conhecemos no universo.

Observou-se que estrelas de nêutrons têm massas de pelo menos duas vezes a do nosso sol, mas medem apenas cerca de 12 milhas de diâmetro, na média, enquanto nosso próprio sol tem um diâmetro de cerca de 865, 000 milhas. Em massas grandes o suficiente, talvez cerca de três vezes a massa do sol, os cientistas esperam que as estrelas de nêutrons entrem em colapso para formar buracos negros.

Estima-se que uma polegada cúbica de matéria de uma estrela de nêutrons pese até 10 bilhões de toneladas. Como o nome sugere, Acredita-se que as estrelas de nêutrons sejam compostas em grande parte por partículas subatômicas de carga neutra chamadas de nêutrons, e alguns modelos esperam que eles contenham longos filamentos de matéria - conhecidos como "massa nuclear" - formados por núcleos atômicos que se ligam.

As estrelas de nêutrons também devem ser quase perfeitamente esféricas, com uma crosta rígida e incrivelmente lisa e um campo magnético ultrapoderoso. Eles podem girar a uma taxa de cerca de 43, 000 revoluções por minuto (RPMs), ou cerca de cinco vezes mais rápido do que os RPMs do motor de um carro de corrida da NASCAR.

As consequências das fusões de estrelas de nêutrons

As simulações dos pesquisadores mostraram que a matéria radioativa que primeiro escapa das fusões de buracos negros pode estar viajando a velocidades de cerca de 20, 000 a 60, 000 milhas por segundo, ou até cerca de um terço da velocidade da luz, enquanto é balançado para longe em uma longa "cauda de maré".

"Seria um material estranho carregado de nêutrons, "Kasen disse." À medida que o material em expansão esfria e descomprime, as partículas podem ser capazes de se combinar para formar os elementos mais pesados. ”Esta última pesquisa mostra como os cientistas podem encontrar esses feixes brilhantes de elementos pesados.

"Se pudermos acompanhar as detecções de LIGO com telescópios e capturar um brilho radioativo, podemos finalmente testemunhar o local de nascimento dos elementos mais pesados ​​do universo, "disse ele." Isso responderia a uma das perguntas mais antigas da astrofísica. "

Espera-se que a maior parte da matéria em uma fusão de estrela de nêutron de buraco negro seja sugada pelo buraco negro dentro de um milissegundo da fusão, e outro assunto que não seja descartado na fusão provavelmente formará uma área extremamente densa, afinar, halo de matéria em forma de donut.

O magro, espera-se que o disco quente de matéria que é limitado pelo buraco negro se forme dentro de cerca de 10 milissegundos após a fusão, e estar concentrado dentro de cerca de 15 a 70 milhas dele, as simulações mostraram. Esses primeiros 10 milissegundos parecem ser a chave na evolução de longo prazo desses discos.

Em escalas de tempo que variam de dezenas de milissegundos a vários segundos, o disco quente se espalha e lança mais matéria no espaço. "Uma série de processos físicos - de campos magnéticos a interações de partículas e reações nucleares - se combinam de maneiras complexas para conduzir a evolução do disco, "disse Rodrigo Fernández, um professor assistente de física na Universidade de Alberta, no Canadá, que liderou um dos estudos.

Simulações realizadas no supercomputador Edison da NERSC foram cruciais para entender como os discos ejetados importam e fornecer pistas de como observar esta questão, disse Fernández, um ex-pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley.

Qual é o próximo?

Eventualmente, pode ser possível para os astrônomos examinando o céu noturno para encontrar a "agulha em um palheiro" de quilonovas radioativas de fusões de estrelas de nêutrons que foram perdidas nos dados do LIGO, Kasen disse.

"Com modelos aprimorados, somos mais capazes de dizer aos observadores exatamente quais flashes de luz são os sinais que procuram, ", disse ele. Kasen também está trabalhando para construir modelos cada vez mais sofisticados de fusões de estrelas de nêutrons e supernovas por meio de seu envolvimento no Projeto de Computação Exascale do DOE.

À medida que a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais melhora, Foucart disse, pode ser possível detectar um sinal contínuo produzido até mesmo por uma pequena protuberância na superfície de uma estrela de nêutrons, por exemplo, ou sinais de objetos unidimensionais teorizados, conhecidos como cordas cósmicas.

"Isso também pode nos permitir observar eventos que nem sequer imaginamos, " ele disse.