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Fusão entre buraco negro e estrela de nêutrons é detectada pela primeira vez

Na última quarta-feira, uma onda gravitacional singular intrigou cientistas de todo o mundo. Se a fusão for confirmada, pode abrir um novo cenário para a astrofísica e para a teoria da relatividade geral.

Representação artística de um buraco negro engolindo uma estrela de nêutrons. Crédito: Dana Berry/NASA

Há cerca de 870 milhões de anos, duas estrelas mortas se uniram em uma só. Essa fusão sacudiu o tecido espacial com uma onda gravitacional que varreu a Terra na última quarta-feira, passando por três pares de lasers cuidadosamente calibrados e projetados para detectar eventos como esse.

Três anos após a primeira detecção de ondas gravitacionais, que ganhou o Prêmio Nobel ao identificar ondas oriundas da colisão de dois buracos negros, tais alertas se tornaram comuns. Desta vez, porém, os astrofísicos souberam imediatamente que o evento observado era especial. “Meu queixo caiu quando vi os dados”, diz Geoffrey Lovelace, da Universidade Estadual da Califórnia e membro do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO, da sigla em inglês).

A onda foi detectada pelo LIGO, nos EUA, e pelo Observatório Virgo, na Itália, às 18:11:18 de 14 de agosto, em horário de Brasília. Uma primeira análise automática identificou a onda como resultado de uma fusão sem precedentes entre dois corpos leves demais para serem classificados, o que levou astrônomos a procurar com urgência por possíveis emissões eletromagnéticas adicionais do evento. Análises subsequentes reclassificaram o sinal como uma colisão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons — que são núcleos estelares remanescentes, nos quais a gravidade comprime a massa equivalente do Sol em uma esfera do tamanho de uma cidade. 

Esse seria o primeiro evento desse tipo detectado com confiança, e, — juntamente com a fusão de dois buracos negros e a fusão de duas estrelas de nêutrons — o terceiro tipo de colisão detectada por ondas gravitacionais. Se a análise se sustentar, o evento, batizado de S190814bv, marcará o início de uma nova era de estudos astrofísicos, com implicações sobre como os pesquisadores entendem a teoria geral da relatividade de Einstein, as mortes de estrelas e o comportamento da matéria extrema.

UM SINAL “FORA DO NORMAL”

Chad Hanna, um colaborador do LIGO e astrofísico da Universidade Estadual da Pensilvânia, estava comemorando seu aniversário de casamento com sua esposa quando seu telefone tocou. Seu grupo é especializado em classificação rápida de eventos da LIGO, então ele imediatamente verificou os detalhes da onda. “A primeira coisa que eu soube foi que era algo extremamente significativo”, diz Hanna, “meio fora do normal”.

O algoritmo da colaboração LIGO-Virgo projeta uma classificação básica baseada na forma de uma onda, na sua duração e em outros fatores quase que instantaneamente — a equipe de Hanna fala em menos de 20 segundos —, para que os astrônomos possam imediatamente colocar seus telescópios na direção celestial de onde a onda veio.

Na quarta-feira, o sistema automático declarou que pelo menos um dos objetos que produziu o S190814bv fazia parte do chamado “intervalo de massa”, um espaço vazio na escala classificatória que abrange objetos com três a cinco massas equivalentes à do Sol — esse intervalo não inclui buracos negros ou estrelas de nêutrons. Todos os buracos negros conhecidos pesam mais do que cinco sóis, enquanto todas as estrelas de nêutrons conhecidas (nascidas de estrelas mais leves, que não chegam a se tornar buracos negros) pesam menos de três sóis. Uma detecção de algo no intervalo de massa teria sido uma novidade para o conjunto LIGO-Virgo — o que teria posto em dúvida a linha teórica que separa as estrelas de nêutrons mais pesadas dos buracos negros mais leves —, mas essa classificação preliminar não durou muito tempo. 

“Houve uma troca de informações ao redor do mundo”, diz Jocelyn Read, astrofísica da Universidade Estadual da Califórnia e membro do LIGO, começando com pesquisadores americanos na tarde de 14 de agosto e seguindo para cálculos na Europa na manhã seguinte.

Quando os cientistas americanos acordaram na quinta-feira, já havia uma nova classificação. A análise humana determinou que o evento era uma fusão entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons com uma precisão maior do que 99% de confiança. O conjunto LIGO-Virgo já detectou mais de uma dúzia de fusões entre buraco negros, bem como fusões de pares de estrelas de nêutrons, mas nunca havia detectado os sinais de um buraco negro “engolindo” uma estrela de nêutrons. 

“Isso é algo pelo qual eu esperei por um longo tempo”, diz James Lattimer, professor de astronomia da Stony Brook University e astrofísico nuclear pioneiro, que mostrou em sua tese de 1976 que fusões de estrelas negras-buracos negros podem liberar elementos pesados no espaço, como ouro e urânio.

Pesquisadores detectaram uma onda semelhante em abril deste ano, mas não conseguiram confirmar com precisão que ela teria vindo do espaço profundo — o sinal associado a esse potencial evento tinha uma chance em sete de ser um falso alarme produzido por fontes terrestres, segundo os modelos produzidos. Nesse caso, uma detecção errada seria esperada uma vez a cada 20 meses. O sinal da semana passada, no entanto, é tão claro que um alarme falso seria um evento que só ocorreria uma vez a cada um trilhão de anos. “Quando é um número maior do que a idade do universo, você sabe que é algo muito sério”, diz Lovelace, 

O sinal ensurdecedor da S190814bv, no entanto, não garante que os astrofísicos tenham de fato detectado a primeira colisão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Enquanto o entendimento atual classifica o objeto mais pesado no território dos buracos negros (com mais de cinco sóis de massa), o modelo deixa o outro objeto na zona mais leve, abaixo de três massas solares, que também é mais obscura. Se uma análise posterior classificar esse segundo objeto em uma zona entre uma e duas massas solares, provavelmente é uma estrela de nêutrons. Mas uma medida mais próxima de três sóis poderia caminhar para ser dois caminhos diferentes —  a mais pesada estrela de nêutrons conhecida do universo ou o buraco negro mais leve.

Futuras estimativas de massa fornecerão um entendimento mais claro, mas primeiro o LIGO-Virgo terá que verificar a onda com os nossos melhores modelos, que são muito complicados para serem executados rapidamente. Os conceitos teóricos se tornam menos precisos à medida que a diferença de massas de dois objetos se desequilibram, então os pesquisadores alertam que devemos pisar com cuidado nesse território inexplorado. “Ainda estamos analisando e verificando as coisas”, diz Lovelace. “Mas é o caso mais promissor que temos até agora.”

PROCURANDO POR UMA LUZ

O detector Virgo na Itália, junto com apenas um dos dois detectores do LIGO, reconheceu a onda inicialmente, mas a colaboração foi capaz de incorporar manualmente os dados do segundo detector LIGO durante a noite. A triangulação feita a partir da terceira detecção permitiu que os pesquisadores identificassem a localização da fonte no céu com mais precisão do que qualquer onda anterior. “Eu abri o mapa do céu e pensei: ‘Ah, eles colocaram acidentalmente um mapa celeste em branco'”, lembra Read, recordando de ter pensando que era um erro antes de notar o pequeno ponto que marca a origem da onda.

A pequena localização, que equivalia a 0,06% da área total do céu, veio como um benefício para as equipes astronômicas que procuravam por flashes de raios gama ou de luz visível que podem acompanhar a morte de uma estrela de nêutrons. “Foi uma questão de minutos para cobrir essa área”, diz Marcelle Soares-Santos, cosmóloga da Universidade de Brandeis, que coordenou observações de acompanhamento usando a Câmera de Energia Escura em um telescópio de quatro metros no Chile.

O buraco negro pode ter destruído a estrela de nêutrons, deixando para trás um anel de destroços brilhantes que se desvaneceram quando caíram na boca do buraco. Alternativamente, o buraco negro poderia ter engolido a estrela de nêutrons em um “gole limpo”, com poucas coisas para ver. As simulações do LIGO-Virgo para o S190814bv predizem o último cenário, mas ninguém sabe ao certo o que realmente aconteceu. Para uma observação inédita, até mesmo não ver nada pode ser um processo informativo. “Estamos indo com a mente aberta”, diz Soares-Santos. “Se não houver uma contrapartida eletromagnética, poderemos estabelecer com suficiente ênfase que o evento terá um grande impacto nas teorias.”

EXAMINANDO O NEUTRÔNIO 

E o que não faltam são teorias sobre estrelas de nêutrons. Físicos nucleares buscam um vislumbre de dentro desses objetos, onde a matéria existe em densidades que desafiam até os melhores modelos atuais. Se a pressão dissolver nêutrons em um plasma de partículas fundamentais, por exemplo, as estrelas de nêutrons deveriam ter menores massa do que de outra forma. As características da onda gravitacional detectada, produzidas enquanto a estrela era sugada pelo buraco negro,  podem revelar o tamanho do astro e, supostamente, a consistência da matéria que a preenche. Da mesma forma, se os astrônomos observarem um flash de luz ou não, também estabelecerão limites para o tamanho da estrela. Essas medidas precisas das dimensões de uma estrela de nêutrons são “uma espécie de Santo Graal da física nuclear”, diz Ben Margalit, pós-doutorando da Universidade da Califórnia em Berkeley, que não participou da colaboração que estudou o evento.

Um buraco negro destruindo uma estrela de nêutrons também representa um novo cenário  para testar a relatividade geral. Aplicar a teoria da gravidade de Einstein ao tecido do espaço-tempo em torno dos buracos negros é bastante difícil, diz Lovelace. Adicionar a matéria de estrelas de nêutrons — uma substância magnetizada, quente e turbulenta, às vezes chamada de “neutrônio” — eleva esse desafio a um novo patamar de complexidade.

Mesmo que a ondulação no espaço tempo de quarta-feira não revele nenhum dos segredos da natureza, os pesquisadores se sentem confiantes de que esse é apenas o primeiro evento de muitos que estão por vir. “Espero que nos diga mais sobre as fusões entre buracos negros e estrelas de nêutrons”, diz Lovelace. “Mas, se não for possível, ainda me faz bastante otimista em saber que o céu gravitacional é brilhante.”

Charlie Wood