Quando as estrelas colidem: revelando as partículas ocultas do universo

Novas simulações mostram que os neutrinos criados durante estas colisões cataclísmicas de estrelas de nêutrons estão brevemente fora do equilíbrio termodinâmico com os núcleos frios das estrelas em fusão. 

Durante a colisão de estrelas de nêutrons binárias, neutrinos quentes podem ficar brevemente presos na interface, ficando fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão por 2 a 3 milissegundos. Essa interação ajuda a levar as partículas ao equilíbrio e oferece novos insights sobre a física dessas fusões. Crédito: SciTechDaily.com

O que acontece quando estrelas de nêutrons colidem”

Simulações recentes feitas por físicos da Penn State mostraram que em fusões binárias de estrelas de nêutrons, neutrinos quentes podem ficar brevemente presos e permanecer fora de equilíbrio, fornecendo uma nova compreensão desses eventos cósmicos.

Esta pesquisa enfatiza o papel das simulações no estudo de fenômenos que não podem ser replicados experimentalmente. Quando as estrelas entram em colapso, muitas vezes deixam para trás restos incrivelmente densos, mas relativamente pequenos e frios, chamados estrelas de nêutrons.

Se duas estrelas entrarem em colapso nas proximidades, as estrelas de nêutrons binárias restantes espiralarão e eventualmente colidirão, aquecendo o ponto de colisão a temperaturas extremas.

Novas simulações destes eventos mostram que neutrinos quentes – partículas minúsculas, essencialmente sem massa, que raramente interagem com outra matéria – que são criados durante a colisão podem ficar brevemente presos nestas interfaces e permanecer fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão durante 2 a 3 milissegundos.

Durante este período, as simulações mostram que os neutrinos podem interagir fracamente com a matéria das estrelas, ajudando conduzindo as partículas de volta ao equilíbrio – e proporcionando uma nova visão sobre a física destes eventos poderosos.

Simulações inovadoras de fusões de estrelas de nêutrons

Um artigo que descreve as simulações, feito por uma equipe de pesquisa liderada por físicos da Penn State, foi publicado recentemente na revista Physical Reviews Letters.

“Pela primeira vez em 2017, observamos aqui na Terra sinais de vários tipos, incluindo ondas gravitacionais, de uma fusão binária de estrelas de nêutrons”, disse Pedro Luis Espino, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e na Universidade da Califórnia, Berkeley, que liderou a pesquisa.

“Isso levou a um grande aumento de interesse na astrofísica de estrelas de nêutrons binárias.

Não há forma de reproduzir estes eventos num laboratório para os estudar experimentalmente, por isso a melhor janela que temos para compreender o que acontece durante uma fusão binária de estrelas de nêutrons é através de simulações baseadas na matemática que surge da teoria da relatividade geral de Einstein.”

Renderização de volume de densidade em uma simulação de fusão de estrelas de nêutrons binárias. Novas pesquisas mostram que os neutrinos criados na interface quente entre as estrelas em fusão podem ser brevemente capturados e permanecer fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão por 2 a 3 milissegundos. Crédito: David Radice, Penn State

Composição de estrelas de nêutrons e dinâmica de colisão

As estrelas de nêutrons recebem esse nome porque se acredita que sejam compostas quase inteiramente de nêutrons, as partículas sem carga que, junto com prótons com carga positiva e elétrons com carga negativa, constituem os átomos.

Acredita-se que sua incrível densidade – apenas os buracos negros são menores e mais densos – comprime prótons e elétrons, fundindo-os em nêutrons.

Uma estrela de nêutrons típica tem apenas dezenas de quilômetros de diâmetro, mas cerca de uma vez e meia a massa do nosso Sol, que tem cerca de 1,4 milhão de quilômetros de diâmetro.

Uma colher de chá de material de estrela de nêutrons pode pesar tanto quanto uma montanha, dezenas ou centenas de milhões de toneladas.

“As estrelas de nêutrons antes da fusão são efetivamente frias, embora possam ter bilhões de graus Kelvin, sua incrível densidade significa que esse calor contribui muito pouco para a energia do sistema”, disse David Radice, professor assistente de física e de astronomia e astrofísica no Eberly College of Science da Penn State e líder da equipe de pesquisa.

“À medida que colidem, podem ficar muito quentes, a interface das estrelas em colisão pode ser aquecida a temperaturas na casa dos triliões de graus Kelvin. No entanto, são tão densos que os fótons não conseguem escapar para dissipar o calor; em vez disso, pensamos que eles esfriam emitindo neutrinos.”

Insights do comportamento dos neutrinos em fusões de estrelas

De acordo com os pesquisadores, os neutrinos são criados durante a colisão, à medida que os nêutrons nas estrelas se chocam uns com os outros e são destruídos em prótons, elétrons e neutrinos. O que acontece então nos primeiros momentos após uma colisão tem sido uma questão em aberto na astrofísica.

Para tentar responder a essa questão, a equipe de investigação criou simulações que requerem enormes quantidades de poder computacional que modelam a fusão de estrelas de nêutrons binárias e toda a física associada.

As simulações mostraram pela primeira vez que, ainda que brevemente, até os neutrinos podem ficar presos pelo calor e pela densidade da fusão. Os neutrinos quentes estão fora de equilíbrio com os núcleos ainda frios das estrelas e podem interagir com a matéria das estrelas.

“Esses eventos extremos ampliam os limites da nossa compreensão da física e estudá-los nos permite aprender coisas novas”, disse Radice. 

“O período em que as estrelas em fusão estão fora de equilíbrio é de apenas 2 a 3 milissegundos, mas tal como a temperatura, o tempo é relativo aqui, o período orbital das duas estrelas antes da fusão pode ser de apenas 1 milissegundo.

Esta breve fase de desequilíbrio é quando ocorre a física mais interessante, uma vez que o sistema retorna ao equilíbrio, a física é melhor compreendida.” Os investigadores explicaram que as interações físicas precisas que ocorrem durante a fusão podem impactar os tipos de sinais que podem ser observados na Terra a partir de fusões de estrelas binárias.

“A forma como os neutrinos interagem com a matéria das estrelas e eventualmente são emitidos pode impactar as oscilações dos remanescentes fundidos das duas estrelas, o que por sua vez pode impactar a aparência dos sinais das ondas eletromagnéticas e gravitacionais da fusão quando chegam até nós aqui na Terra”, disse Espino.

“Os detectores de ondas gravitacionais da próxima geração poderiam ser projetados para procurar esses tipos de diferenças de sinal.

Desta forma, estas simulações desempenham um papel crucial, permitindo-nos obter informações sobre estes eventos extremos, ao mesmo tempo que informam futuras experiências e observações numa espécie de ciclo de feedback.”

Fonte: Scitechdaily.com