Ondas gravitacionais podem transformar estrelas de nêutrons em colisão em "diapasões cósmicos"

"A detecção desse sinal tem o potencial de revelar do que são feitas as estrelas de nêutrons." 

Uma ilustração mostra duas estrelas de nêutrons colidindo e se fundindo. (Crédito da imagem: Robert Lea (criado com Canva))

Cientistas descobriram uma nova maneira de sondar o interior de estrelas de nêutrons usando ondas gravitacionais para transformá-las em "diapasões cósmicos". As reverberações dessas ondulações no espaço-tempo podem revelar o interior desses restos estelares extremos.

Nascidas quando estrelas massivas morrem, as estrelas de nêutrons têm até duas vezes a massa do sol amontoadas em um diâmetro de cerca de 12 milhas (20 quilômetros). Isso significa que elas são compostas da matéria mais densa do universo conhecido. Mas por causa de suas características extremas, os interiores desses remanescentes estelares estão envoltos em mistério.

Luciano Rezzolla e seu grupo de pesquisa na Universidade Goethe de Frankfurt teorizam que a chave para revelar os interiores das estrelas de nêutrons pode estar nas colisões entre esses remanescentes estelares extremos . Mais precisamente, a equipe acha que a chave é focar em como o remanescente-filha dessa colisão violenta faz o espaço-tempo vibrar com ondas gravitacionais.

"Assim como diapasões de materiais diferentes terão tons puros diferentes, restos descritos por equações de estado diferentes soarão em frequências diferentes", disse Rezzolla em uma declaração. "A detecção desse sinal tem, portanto, o potencial de revelar do que as estrelas de nêutrons são feitas."

Espaço-tempo tocando

As ondas gravitacionais foram sugeridas pela primeira vez por Albert Einstein em sua teoria da gravidade de 1915, conhecida como relatividade geral.

A relatividade geral sugere que a gravidade surge como resultado da massa curvando o próprio tecido do espaço-tempo (a unificação quadridimensional do espaço e do tempo). Além disso, quando objetos massivos aceleram, eles emitem ondulações no espaço-tempo.

Quando duas estrelas de nêutrons existem em um sistema binário , conforme circulam uma em torno da outra, elas irradiam ondas gravitacionais.

Essa radiação gravitacional carrega o momento angular para longe do sistema binário, fazendo com que as estrelas de nêutrons se aproximem. Isso aumenta a frequência das ondas gravitacionais emitidas, o que significa que o sistema perde o momento angular cada vez mais rápido — e encolhe cada vez mais rápido. 

Isso continua até que a gravidade mútua das estrelas de nêutrons assuma o controle, e os restos estelares colidam, causando uma explosão cataclísmica chamada kilonova . Isso também envia um grito de ondas gravitacionais.

Uma simulação de uma vasta área do cosmos feita usando um supercomputador e baseada no modelo padrão de cosmologia.(Crédito da imagem: NASA/CXC/E. Troja)

Este processo cria um remanescente pós-fusão massivo e de rotação rápida que também emite ondas gravitacionais enquanto gira, embora em uma faixa de frequência forte, mas estreita.

Rezzolla e colegas propõem que essas ondas gravitacionais codificaram dentro delas informações sobre o interior do remanescente pós-fusão . Mais precisamente, a "equação de estado" da matéria nuclear descreve como a matéria se comporta em densidades e pressões extremas.

Usando simulações de computador da relatividade geral, a equipe descobriu que a amplitude do sinal da onda gravitacional pós-fusão diminui ao longo do tempo. À medida que isso acontece, o sinal se torna cada vez mais "puro". Isso significa que ele começa a convergir em uma única frequência, semelhante a um diapasão gigante começando a ressoar após ser atingido.

A equipe apelidou essa fase da evolução do sinal de "long ringdown". O pesquisador teoriza que há uma forte conexão entre as características do longo ringdown e as propriedades das regiões mais densas em núcleos de estrelas de nêutrons.

A análise do sinal de longo alcance reduz, portanto, as incertezas na equação de estado da matéria nas densidades incrivelmente altas encontradas nas estrelas de nêutrons.

"Graças aos avanços na modelagem estatística e simulações de alta precisão nos supercomputadores mais poderosos da Alemanha, descobrimos uma nova fase do longo ringdown em fusões de estrelas de nêutrons", disse o líder da equipe Christian Ecker, pesquisador da Universidade Goethe, na declaração. "Ele tem o potencial de fornecer novas e rigorosas restrições sobre o estado da matéria em estrelas de nêutrons."

Detectores de ondas gravitacionais como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo têm ouvido essas ondulações no espaço-tempo desde 2015. No entanto, um sinal de longo ringdown como o discutido nesta pesquisa ainda não foi "ouvido". A esperança é que a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, incluindo o observatório espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna), seja capaz de fazer exatamente essa detecção.

"Esta descoberta abre caminho para uma melhor compreensão da matéria densa de estrelas de nêutrons, especialmente à medida que novos eventos são observados no futuro", disse Ecker.

A pesquisa da equipe foi publicada em 3 de fevereiro na revista Nature Communications.

Space.com