Cientistas descobrem par de buraco negro e estrela de nêutrons que desafia as regras das órbitas cósmicas.

Uma análise recente de um evento de ondas gravitacionais revelou algo inesperado sobre um dos encontros mais violentos do Universo. 

Ilustração artística de um sistema binário excêntrico composto por uma estrela de nêutrons e um buraco negro. A trajetória da estrela de nêutrons é mostrada em azul e o movimento do buraco negro em laranja, enquanto os dois objetos orbitam um ao outro. A excentricidade mostrada aqui é exagerada em comparação com o sistema real, GW200105, para tornar o efeito no movimento orbital mais evidente. Crédito: Geraint Pratten, Pesquisador Universitário da Royal Society, Universidade de Birmingham.

Cientistas encontraram a primeira evidência concreta de que um buraco negro e uma estrela de nêutrons colidiram enquanto se moviam ao longo de uma órbita oval, em vez do círculo quase perfeito que os cientistas esperavam há muito tempo. A descoberta desafia as ideias existentes sobre como esses sistemas cósmicos extremos se formam e evoluem.

Pesquisadores da Universidade de Birmingham , da Universidade Autônoma de Madri e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional relataram os resultados no periódico The Astrophysical Journal Letters .

Acredita-se que a maioria dos pares conhecidos de estrelas de nêutrons e buracos negros se estabilizem em órbitas circulares muito antes de se fundirem. No entanto, um estudo detalhado do evento de ondas gravitacionais GW200105 revelou um cenário diferente.

Os dados indicam que os dois objetos estavam viajando ao longo de uma órbita oval, ou elíptica, pouco antes de se fundirem. A colisão acabou produzindo um buraco negro com cerca de 13 vezes a massa do Sol. Os pesquisadores afirmam que esse tipo de padrão orbital nunca havia sido observado antes em uma fusão de estrela de nêutrons com buraco negro.

A Dra. Patricia Schmidt, da Universidade de Birmingham, disse: “Esta descoberta nos dá novas pistas vitais sobre como esses objetos extremos se formam. Ela nos mostra que nossos modelos teóricos estão incompletos e levanta novas questões sobre onde, no Universo, tais sistemas nascem.”

Detecção de sinais sutis em ondas gravitacionais

Para investigar o evento, a equipe analisou observações dos detectores LIGO e Virgo usando um novo modelo de ondas gravitacionais criado no Instituto de Astronomia de Ondas Gravitacionais da Universidade de Birmingham.

Essa abordagem permitiu aos cientistas medir o quão alongada ou oval era a órbita, uma propriedade conhecida como excentricidade. Eles também procuraram sinais de oscilação causada pela rotação dos objetos, conhecida como precessão. De acordo com os pesquisadores, esta é a primeira vez que esses dois efeitos foram medidos simultaneamente em uma fusão de estrela de nêutrons e buraco negro.

Geraint Pratten, pesquisador da Royal Society na Universidade de Birmingham, disse: “A órbita revela tudo. Seu formato elíptico pouco antes da fusão mostra que esse sistema não evoluiu silenciosamente em isolamento, mas foi quase certamente moldado por interações gravitacionais com outras estrelas, ou talvez com uma terceira companheira.”

Reanalisando o evento com modelos aprimorados

A equipe utilizou métodos estatísticos Bayesianos para comparar milhares de previsões teóricas com os dados reais de ondas gravitacionais. Sua análise mostra que uma órbita circular é extremamente improvável para esse sistema, descartando-a com 99,5% de confiança.

Estudos anteriores sobre GW200105 presumiam que os objetos se moviam em uma órbita circular. Essa suposição levou os pesquisadores a subestimarem a massa do buraco negro e a superestimarem a massa da estrela de nêutrons. A nova análise corrige esses valores.

O estudo também não encontrou evidências fortes de oscilação orbital causada pela rotação. Isso sugere que a órbita elíptica provavelmente se formou durante o desenvolvimento inicial do sistema, em vez de ser criada pela rotação dos dois objetos.

Gonzalo Morras, da Universidade Autônoma de Madri e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, afirmou: “Esta é uma prova convincente de que nem todos os pares de estrelas de nêutrons e buracos negros compartilham a mesma origem. A órbita excêntrica sugere um local de nascimento em um ambiente onde muitas estrelas interagem gravitacionalmente.”

Repensando a formação desses sistemas

A descoberta desafia a ideia amplamente aceita de que as fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros se formam principalmente por meio de uma única via evolutiva dominante. Em vez disso, sugere que múltiplos processos de formação podem produzir esses sistemas.

Os resultados também destacam a importância de desenvolver modelos de forma de onda mais avançados que possam capturar melhor o comportamento complexo da fusão de objetos compactos.

À medida que os observatórios de ondas gravitacionais detectam mais eventos, os pesquisadores esperam descobrir uma variedade ainda maior de cenários de fusão. Essas descobertas podem ajudar a revelar os diversos ambientes onde estrelas de nêutrons e buracos negros se formam e interagem.

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