LIGO-Virgo encontra objeto misterioso na "divisão de massa"
Em agosto de 2019 a rede de ondas gravitacionais LIGO-Virgo testemunhou a fusão entre um buraco negro com 23 vezes a massa do nosso Sol e um objeto misterioso com 2,6 vezes a massa do Sol. Os cientistas não sabem se o objeto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro, mas de qualquer maneira foi quebrado o recorde de estrela de neutrões mais massiva conhecida ou de buraco negro mais leve conhecido.
Quando as estrelas mais massivas morrem, colapsam sob a sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros; quando estrelas um pouco menos massivas morrem, explodem numa supernova e deixam para trás remanescentes densos e mortos de estrelas chamadas estrelas de neutrões. Há décadas que os astrónomos se interessam pela divisão que fica entre as estrelas de neutrões e os buracos negros: a estrela de neutrões mais pesada que se conhece não tem mais do que 2,5 vezes a massa do nosso Sol, ou 2,5 massas solares, e o buraco negro mais leve tem aproximadamente 5 massas solares. A questão que permanecia: existe alguma coisa neste intervalo de massas?
Agora, num novo estudo pelos detetores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation) e Virgo (na Europa), os cientistas anunciaram a descoberta de um objeto com 2,6 massas solares, colocando-o firmemente na divisão de massa. O objeto foi encontrado no dia 14 de agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro com 23 massas solares, criando ondas gravitacionais detetadas na Terra pelo LIGO e pelo Virgo. O artigo sobre a sua deteção foi aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.
"Esperámos décadas para resolver este mistério," diz a coautora Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern. "Não sabemos se este objeto é a estrela de neutrões mais pesada que se conhece ou o buraco negro mais leve que se conhece, mas de qualquer forma quebra um recorde."
"Isto vai mudar a maneira como os cientistas falam sobre estrelas de neutrões e buracos negros," diz o coautor Patrick Brady, professor da Universidade de Wisconsin, Milwaukee, EUA e porta-voz da Colaboração Científica do LIGO. "A divisão de massa pode, de facto, não existir, mas pode ter sido devida a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações o dirão."
"É um desafio para os modelos teóricos atuais formar pares, em fusão, de objetos compactos com um rácio de massa tão grande na qual o parceiro mais leve reside no hiato de massa entre buracos negros e estrelas de neutrões. Esta descoberta implica que estes eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, tornando-o num objeto de baixa massa realmente intrigante," explica Kalogera. "O objeto misterioso pode ser uma estrela de neutrões fundindo-se com um buraco negro, uma possibilidade excitante esperada teoricamente, mas ainda não confirmada observacionalmente. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, excede as previsões modernas para a massa máxima das estrelas de neutrões, e pode ao invés ser o buraco negro mais leve já detetado".
Quando os cientistas do LIGO e do Virgo avistaram esta fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronómica. Dúzias de telescópios terrestres e espaciais continuaram à procura, no espetro eletromagnético, de sinais do evento, sem resultados positivos. Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, num evento chamado GW170817. O evento, descoberto pela rede LIGO-Virgo em agosto de 2017, envolveu uma colisão escaldante de duas estrelas de neutrões que foi subsequentemente testemunhada por dúzias de telescópios na Terra e no espaço. As colisões de estrelas de neutrões são eventos caóticos que lançam matéria para o espaço em todas as direções e, portanto, espera-se que emitam luz. Inversamente, pensa-se que as fusões que envolvem buracos negros não produzem luz.
De acordo com os cientistas do LIGO e do Virgo, o evento de agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios que observam no espetro eletromagnético por várias razões. Em primeiro lugar, este evento estava seis vezes mais distante do que o evento observado em 2017, dificultando a captação de qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão tivesse envolvido dois buracos negros, provavelmente não teria emitido luz. Em terceiro lugar, se o objeto mais pequeno tivesse sido de facto uma estrela de neutrões, o seu buraco negro parceiro, 9 vezes mais massivo, tê-la-ia engolido toda; uma estrela de neutrões consumida inteira por um buraco negro não emite luz.
"Faz-me lembrar Pac-Man comendo um pontinho," diz Kalogera. "Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela de neutrões mais pequena pode ser 'comida' por inteiro."
Como é que os investigadores poderão saber se o objeto misterioso era uma estrela de neutrões ou um buraco negro? Observações futuras com o LIGO, Virgo e possivelmente outros telescópios podem capturar eventos semelhantes que ajudariam a revelar se objetos adicionais existem na divisão de massas.
"Este é o primeiro vislumbre do que poderá ser uma população totalmente nova de objetos binários compactos," diz Charlie Hoy, membro da Colaboração Científica LIGO e estudante da Universidade de Cardiff. "O que é realmente emocionante é que isto é apenas o começo. À medida que os detetores se tornam cada vez mais sensíveis, vamos observar ainda mais destes sinais e seremos capazes de identificar as populações de estrelas de neutrões e buracos negros no Universo."
"A divisão de massa tem permanecido um quebra-cabeças interessante durante décadas, e agora detetámos um objeto que encaixa bem nela," diz Pedro Marronetti, diretor do programa para física gravitacional da NSF. "Isto não pode ser explicado sem desafiar a nossa compreensão da matéria extremamente densa ou sem desafiar o que sabemos sobre a evolução das estrelas. Esta observação é mais outro exemplo do potencial transformador do campo da astronomia de ondas gravitacionais, que lança luz sobre novas ideias a cada deteção."
Este gráfico mostra as massas dos buracos negros detetados através de observações eletromagnéticas (roxo), os buracos negros medidos por observações de ondas gravitacionais (azul), as estrelas de neutrões medidas por observações eletromagnéticas (amarelo) e as estrelas de neutrões detetadas através de ondas gravitacionais (laranja). GW190814 é realçado no meio do gráfico como a fusão de um buraco negro com um objeto misterioso de massa equivalente a 2,6 vezes a do Sol.