Quando duas estrelas de nêutrons espiralam uma na outra e se fundem para formar um buraco negro – um evento registrado em 2017 por detectores de ondas gravitacionais e telescópios em todo o mundo – ela se torna imediatamente um buraco negro? Ou demora um pouco para girar para baixo antes de colapsar gravitacionalmente além do horizonte de eventos em um buraco negro?
Observações em andamento dessa fusão de 2017 pelo Observatório de Raios-X Chandra, um telescópio em órbita, sugerem o último:que o objeto fundido ficou preso, provavelmente por um mero segundo, antes de sofrer um colapso final.

A evidência está na forma de um pós-brilho de raios-X da fusão, apelidado de GW170817, que não seria esperado se as estrelas de nêutrons fundidas colapsassem imediatamente em um buraco negro. O brilho residual pode ser explicado como um rebote do material das estrelas de nêutrons fundidas, que atravessaram e aqueceram o material ao redor das estrelas de nêutrons binárias. Esse material quente agora mantém o remanescente brilhando de forma constante por mais de quatro anos após a fusão lançar material para fora no que é conhecido como kilonova. As emissões de raios-X de um jato de material que foi detectado pelo Chandra logo após a fusão estariam diminuindo agora.

Embora o excesso de emissões de raios-X observados pelo Chandra possa vir de detritos em um disco de acreção girando e eventualmente caindo no buraco negro, o astrofísico Raffaella Margutti, da Universidade da Califórnia, Berkeley, defende a hipótese do colapso atrasado, que é previsto teoricamente.

"Se as estrelas de nêutrons fundidas colapsassem diretamente em um buraco negro sem estágio intermediário, seria muito difícil explicar esse excesso de raios-X que vemos agora, porque não haveria superfície dura para o material ricochetear e voar em altas velocidades para criar esse brilho", disse Margutti, professor associado de astronomia e física da UC Berkeley. "Apenas cairia. Pronto. A verdadeira razão pela qual estou cientificamente animado é a possibilidade de estarmos vendo algo mais do que o jato. Podemos finalmente obter algumas informações sobre o novo objeto compacto."

Margutti e seus colegas, incluindo a primeira autora Aprajita Hajela, que foi aluna de pós-graduação de Margutti quando ela estava na Northwestern University antes de se mudar para a UC Berkeley, relatam sua análise do brilho de raios-X em um artigo recentemente aceito para publicação em The Astrophysical Cartas do Diário .

O brilho radioativo de uma kilonova

As ondas gravitacionais da fusão foram detectadas pela primeira vez em 17 de agosto de 2017, pelo Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) e pela colaboração Virgo. Telescópios baseados em satélites e terrestres rapidamente registraram uma explosão de raios gama e emissões visíveis e infravermelhas que, juntas, confirmaram a teoria de que muitos elementos pesados ​​são produzidos após essas fusões dentro de material ejetado quente que produz uma quilonova brilhante. A kilonova brilha por causa da luz emitida durante o decaimento de elementos radioativos, como platina e ouro, que são produzidos nos detritos da fusão.

Chandra também girou para observar GW170817, mas não viu raios-X até nove dias depois, sugerindo que a fusão também produziu um jato estreito de material que, ao colidir com o material ao redor das estrelas de nêutrons, emitiu um cone de raios-X. que inicialmente perdeu a Terra. Só mais tarde a cabeça do jato se expandiu e começou a emitir raios-X em um jato mais amplo visível da Terra.

As emissões de raios X do jato aumentaram por 160 dias após a fusão, após o que se tornaram cada vez mais fracas à medida que o jato desacelerava e se expandia. Mas Hajela e sua equipe notaram que de março de 2020 – cerca de 900 dias após a fusão – até o final de 2020, o declínio parou e as emissões de raios X permaneceram aproximadamente constantes em brilho.

"O fato de que os raios-X pararam de desaparecer rapidamente foi nossa melhor evidência de que algo além de um jato está sendo detectado em raios-X nesta fonte", disse Margutti. "Uma fonte completamente diferente de raios-X parece ser necessária para explicar o que estamos vendo."

Os pesquisadores sugerem que o excesso de raios X é produzido por uma onda de choque distinta dos jatos produzidos pela fusão. Este choque foi resultado do colapso retardado das estrelas de nêutrons fundidas, provavelmente porque sua rotação rápida neutralizou muito brevemente o colapso gravitacional. Ao permanecer por mais um segundo, o material ao redor das estrelas de nêutrons obteve um salto extra que produziu uma cauda muito rápida de ejeção de kilonova que criou o choque.

"Achamos que a emissão de quilonova pós-brilho é produzida por material chocado no meio circumbinário", disse Margutti. "É o material que estava no ambiente das duas estrelas de nêutrons que foi chocado e aquecido pela borda mais rápida do material ejetado da kilonova, que está conduzindo a onda de choque."

A radiação está chegando até nós agora porque levou tempo para o material ejetado pesado de kilonova ser desacelerado no ambiente de baixa densidade e para a energia cinética do material ejetado ser convertida em calor por choques, disse ela. Este é o mesmo processo que produz rádio e raios X para o jato, mas como o jato é muito, muito mais leve, é imediatamente desacelerado pelo ambiente e brilha no raio X e no rádio desde os primeiros tempos.

Uma explicação alternativa, observam os pesquisadores, é que os raios-X vêm do material caindo em direção ao buraco negro que se formou após a fusão das estrelas de nêutrons.

“Esta seria a primeira vez que vimos um brilho residual de kilonova ou a primeira vez que vimos material caindo em um buraco negro após uma fusão de estrelas de nêutrons”, disse o coautor Joe Bright, pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley. "Qualquer resultado seria extremamente emocionante."

Chandra é agora o único observatório ainda capaz de detectar a luz desta colisão cósmica. Observações de acompanhamento pelo Chandra e radiotelescópios poderiam distinguir entre as explicações alternativas, no entanto. Se for um brilho residual de kilonova, espera-se que a emissão de rádio seja detectada novamente nos próximos meses ou anos. Se os raios X estão sendo produzidos por matéria caindo em um buraco negro recém-formado, então a saída de raios X deve permanecer estável ou diminuir rapidamente, e nenhuma emissão de rádio será detectada ao longo do tempo.

Margutti espera que LIGO, Virgo e outros telescópios capturem ondas gravitacionais e eletromagnéticas de mais fusões de estrelas de nêutrons para que a série de eventos que precedem e seguem a fusão possa ser definida com mais precisão e ajudar a revelar a física da formação de buracos negros. Até então, GW170817 é o único exemplo disponível para estudo.

“Um estudo adicional de GW170817 pode ter implicações de longo alcance”, disse a coautora Kate Alexander, pesquisadora de pós-doutorado que também é da Northwestern University. "A detecção de um brilho residual de kilonova implicaria que a fusão não produziu imediatamente um buraco negro. Alternativamente, este objeto pode oferecer aos astrônomos a chance de estudar como a matéria cai em um buraco negro alguns anos após seu nascimento."

Margutti e sua equipe anunciaram recentemente que o telescópio Chandra havia detectado raios-X em observações de GW170817 realizadas em dezembro de 2021. A análise desses dados está em andamento. Nenhuma detecção de rádio associada aos raios-X foi relatada.