Em agosto de 2019, a rede de ondas gravitacionais LIGO-Virgo testemunhou a fusão de um buraco negro com 23 vezes a massa do nosso sol e um objeto misterioso 2,6 vezes a massa do sol. Os cientistas não sabem se o objeto misterioso era uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, mas, de qualquer forma, estabeleceu um recorde como sendo a estrela de nêutrons mais pesada conhecida ou o buraco negro mais leve conhecido. Crédito:LIGO / Caltech / MIT / R. Ferido (IPAC)
Quando as estrelas mais massivas morrem, eles entram em colapso sob sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas que são um pouco menos massivas morrem, eles explodem em uma supernova e deixam para trás densa, remanescentes mortos de estrelas chamadas estrelas de nêutrons. Por décadas, os astrônomos ficaram intrigados com uma lacuna que fica entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros:a estrela de nêutrons mais pesada conhecida não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso sol, ou 2,5 massas solares, e o buraco negro mais leve conhecido tem cerca de cinco massas solares. A questão permaneceu:existe alguma coisa nesta assim chamada lacuna de massa?
Agora, em um novo estudo do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) da National Science Foundation e do detector de Virgo na Europa, cientistas anunciaram a descoberta de um objeto de 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na lacuna de massa. O objeto foi encontrado em 14 de agosto, 2019, quando se fundiu com um buraco negro de 23 massas solares, gerando um respingo de ondas gravitacionais detectadas na Terra por LIGO e Virgem. Um artigo sobre a detecção foi aceito para publicação em The Astrophysical Journal Letters .
"Esperamos décadas para resolver este mistério, "diz a coautora Vicky Kalogera, professor da Northwestern University. "Não sabemos se este objeto é a estrela de nêutrons mais pesada conhecida, ou o buraco negro mais leve conhecido, mas, de qualquer forma, quebra um recorde. "
"Isso vai mudar a forma como os cientistas falam sobre estrelas de nêutrons e buracos negros, "diz o co-autor Patrick Brady, um professor da Universidade de Wisconsin, Milwaukee, e o porta-voz da Colaboração Científica do LIGO. "A lacuna de massa pode na verdade não existir, mas pode ter sido devido a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações o dirão."
A fusão cósmica descrita no estudo, um evento apelidado de GW190814, resultou em um buraco negro final com cerca de 25 vezes a massa do Sol (parte da massa fundida foi convertida em uma explosão de energia na forma de ondas gravitacionais). O buraco negro recém-formado fica a cerca de 800 milhões de anos-luz de distância da Terra.
Antes de os dois objetos se fundirem, suas massas diferiam por um fator de 9, tornando esta a razão de massa mais extrema conhecida para um evento de onda gravitacional. Outro evento LIGO-Virgo relatado recentemente, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma proporção de massa de cerca de 4:1.
"É um desafio para os modelos teóricos atuais formar pares fundidos de objetos compactos com uma grande proporção de massa em que o parceiro de baixa massa resida na lacuna de massa. Esta descoberta implica que esses eventos ocorrem com muito mais frequência do que previmos, tornando este um objeto de baixa massa realmente intrigante, "explica Kalogera." O objeto misterioso pode ser uma estrela de nêutrons se fundindo com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. Contudo, com 2,6 vezes a massa do nosso sol, excede as previsões modernas para a massa máxima de estrelas de nêutrons, e pode, em vez disso, ser o buraco negro mais claro já detectado. "
Este gráfico mostra as massas dos buracos negros detectados por meio de observações eletromagnéticas (roxo), os buracos negros medidos por observações de ondas gravitacionais (azul), as estrelas de nêutrons medidas com observações eletromagnéticas (amarelo), e as estrelas de nêutrons detectadas por ondas gravitacionais (laranja). GW190814 é destacado no meio do gráfico como a fusão de um buraco negro e um objeto misterioso com cerca de 2,6 vezes a massa do sol. Crédito:LIGO-Virgo / Frank Elavsky &Aaron Geller (Noroeste)
Quando os cientistas do LIGO e de Virgem descobriram essa fusão, eles imediatamente enviaram um alerta para a comunidade astronômica. Dezenas de telescópios terrestres e espaciais seguiram em busca das ondas de luz geradas no evento, mas nenhum captou qualquer sinal. Até aqui, tais contrapartes de luz para sinais de ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, em um evento denominado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em agosto de 2017, envolveu uma colisão de fogo entre duas estrelas de nêutrons que foi posteriormente testemunhada por dezenas de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de nêutrons são coisas complicadas com matéria lançada em todas as direções e, portanto, espera-se que brilhem com luz. Por outro lado, fusões de buracos negros, na maioria das circunstâncias, são pensados para não produzir luz.
De acordo com os cientistas do LIGO e de Virgem, o evento de agosto de 2019 não foi visto por telescópios baseados em luz por alguns motivos possíveis. Primeiro, este evento foi seis vezes mais distante do que a fusão observada em 2017, tornando mais difícil captar quaisquer sinais de luz. Em segundo lugar, se a colisão envolveu dois buracos negros, provavelmente não teria brilhado com nenhuma luz. Em terceiro lugar, se o objeto era de fato uma estrela de nêutrons, seu parceiro de buraco negro 9 vezes mais massivo pode tê-lo engolido inteiro; uma estrela de nêutrons consumida inteira por um buraco negro não emitiria nenhuma luz.
"Eu penso em Pac-Man comendo um pequeno ponto, "diz Kalogera." Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela de nêutrons menor pode ser comida com uma mordida. "
Como os pesquisadores saberão se o objeto misterioso era uma estrela de nêutrons ou um buraco negro? Observações futuras com LIGO, Virgem, e possivelmente outros telescópios podem capturar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se existem objetos adicionais na lacuna de massa.
"Este é o primeiro vislumbre do que poderia ser toda uma nova população de objetos binários compactos, "diz Charlie Hoy, membro do LIGO Scientific Collaboration e estudante de graduação na Cardiff University. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."
"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."
