Modelando a fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons e o processo subsequente em uma única simulação

 Simulação numérica de uma fusão de estrelas de nêutrons-buraco negro. O perfil de densidade é mostrado em azul e verde, as linhas de campo magnético que penetram no buraco negro são mostradas em rosa. A matéria não ligada é mostrada em branco e sua velocidade por setas verdes. Crédito: K. Hayashi (Universidade de Kyoto)

Usando cálculos de supercomputadores, cientistas do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam e do Japão mostram uma imagem consistente pela primeira vez: eles modelaram o processo completo da colisão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons. Em seus estudos, eles calcularam o processo desde as órbitas finais, passando pela fusão até a fase pós-fusão, na qual, segundo seus cálculos, podem ocorrer explosões de raios gama de alta energia. Os resultados de seus estudos já foram publicados na revista Physical Review D.

Quase sete anos se passaram desde a primeira detecção de ondas gravitacionais. Em 14 de setembro de 2015, os detectores LIGO nos EUA registraram o sinal de dois buracos negros em fusão das profundezas do espaço. Desde então, um total de 90 sinais foram observados: de sistemas binários de dois buracos negros ou estrelas de nêutrons, e também de binários mistos. Se pelo menos uma estrela de nêutrons estiver envolvida na fusão, há uma chance de que não apenas detectores de ondas gravitacionais observem o evento, mas também telescópios no espectro eletromagnético.

Quando duas estrelas de nêutrons se fundiram no evento detectado em 17 de agosto de 2017 (GW170817), cerca de 70 telescópios na Terra e no espaço observaram os sinais eletromagnéticos. Nas duas fusões de estrelas de nêutrons com buracos negros observadas até agora (GW200105 e GW200115), nenhuma contraparte eletromagnética das ondas gravitacionais foi detectada. Mas quando mais desses eventos são medidos com os detectores cada vez mais sensíveis, os pesquisadores esperam observações eletromagnéticas aqui também. Durante e após a fusão, a matéria é ejetada do sistema e a radiação eletromagnética é gerada. Isso provavelmente também produz explosões curtas de raios gama, observadas por telescópios espaciais.

Para o estudo, os cientistas escolheram dois sistemas modelo diferentes, consistindo em um buraco negro em rotação e uma estrela de nêutrons. As massas do buraco negro foram fixadas em 5,4 e 8,1 massas solares, respectivamente, e a massa da estrela de nêutrons foi fixada em 1,35 massas solares. Esses parâmetros foram escolhidos para que a estrela de nêutrons pudesse ser dilacerada pelas forças das marés.

“Temos insights sobre um processo que dura de um a dois segundos – que parece curto, mas na verdade muita coisa acontece durante esse tempo: desde as órbitas finais e a ruptura da estrela de nêutrons pelas forças das marés, a ejeção de matéria, até a formação de um disco de acreção ao redor do buraco negro nascente e a ejeção adicional de matéria em um jato”, diz Masaru Shibata, diretor do Departamento de Astrofísica Relativística Computacional do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam. “Esse jato de alta energia provavelmente também é motivo de explosões curtas de raios gama, cuja origem ainda é misteriosa. Os resultados da simulação também indicam que a matéria ejetada deve sintetizar elementos pesados como ouro e platina.”

O que acontece durante e após a fusão? 

As simulações mostram que durante o processo de fusão a estrela de nêutrons é dilacerada pelas forças das marés. Cerca de 80% da matéria da estrela de nêutrons cai no buraco negro em poucos milissegundos, aumentando sua massa em cerca de uma massa solar. Nos cerca de 10 milissegundos subsequentes, a matéria da estrela de nêutrons forma uma estrutura espiral de um braço. Parte da matéria no braço espiral é ejetada do sistema, enquanto o resto (0,2-0,3 massas solares) forma um disco de acreção ao redor do buraco negro. Quando o disco de acreção cai no buraco negro após a fusão, isso causa um jato de radiação eletromagnética focado, que poderia produzir uma curta explosão de raios gama.

Simulações de segundos

O computador cluster do departamento “Sakura” levou cerca de 2 meses para resolver as equações de Einstein para o processo que leva cerca de dois segundos. “Tais simulações relativísticas gerais consomem muito tempo. É por isso que grupos de pesquisa em todo o mundo até agora se concentraram apenas em simulações curtas”, explica o Dr. Kenta Kiuchi, líder do grupo no departamento de Shibata, que desenvolveu o código. “Em contraste, uma simulação de ponta a ponta, como a que realizamos pela primeira vez, fornece uma imagem autoconsistente de todo o processo para determinadas condições iniciais binárias que são definidas uma vez no início.”

Além disso, somente com essas longas simulações os pesquisadores podem explorar o mecanismo de geração de explosões curtas de raios gama, que normalmente duram de um a dois segundos. Shibata e os cientistas de seu departamento já estão trabalhando em simulações numéricas semelhantes, mas ainda mais complexas, para modelar consistentemente a colisão de duas estrelas de nêutrons e a fase após a fusão.

Fonte: phys.org