Astrônomos encontram assinaturas de estrelas de nêutrons hipermassivas de curta duração

Padrões em explosões curtas de raios gama (GRBs) poderiam fornecer informações sobre colisões de estrelas de nêutrons.

Quando duas estrelas de nêutrons excepcionalmente densas espiralam uma na outra e colidem, como visto aqui, elas produzem ondas gravitacionais e uma curta explosão de raios gama (GRB). Universidade de Warwick/Mark Garlick 

Se você pudesse congelar um filme de duas estrelas de nêutrons colidindo uma com a outra, logo após elas colidirem, você testemunharia a formação de um objeto tão massivo e denso que não deveria existir: as estrelas se fundiriam momentaneamente em uma única estrela de nêutrons que está girando tão rápido que pode se manter brevemente contra o colapso, desafiando a gravidade como Wile E. Coiote depois que ele fugiu de um penhasco.

Apenas alguns quadros depois, no entanto, e a estrela desapareceria, sugada para dentro de si mesma e substituída por um buraco negro.

Infelizmente, os astrônomos têm maneiras limitadas de estudar esses objetos, chamados estrelas de nêutrons hipermassivas (HMNSs). Isso porque, embora as estrelas de nêutrons emitam ondas gravitacionais - ondulações no tecido do espaço-tempo - à medida que espiralam umas em direção às outras, os detectores de corrente não são sensíveis às frequências emitidas pelo próprio HMNS.

Mas agora, os astrônomos podem ter encontrado outro caminho para entender as estrelas de nêutrons hipermassivas.

De acordo com um novo artigo, alguns HMNSs emitem explosões curtas de raios gama durante seus estertores de morte. E quando pesquisadores liderados por Cecilia Chirenti, da Universidade de Maryland, em College Park, analisaram 700 explosões curtas de raios gama (GRBs), eles encontraram alguns casos em que os sinais não eram puramente ruído.

Em vez disso, essas GRBs tinham frequências características que eram mais fortes do que outras, uma assinatura "consistente com uma estrela de nêutrons hipermassiva", disse Chirenti em uma coletiva de imprensa em 9 de janeiro durante a 241ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Seattle.

O novo estudo, publicado em 9 de janeiro na Nature, dá aos astrônomos a esperança de que eles possam aprender mais sobre estrelas de nêutrons hipermassivas, que são estrelas de rotação mais rápida conhecidas, bem como aprender mais sobre a dinâmica das fusões de estrelas de nêutrons em geral.

"Não há escapatória"

As estrelas de nêutrons são os objetos mais densos que podem existir, com exceção dos buracos negros. Eles são os restos de estrelas tão massivas que explodem no final de suas vidas como supernovas, mas não tão massivas que colapsam imediatamente em buracos negros.

Dado que a maioria das estrelas no universo estão em sistemas estelares binários ou múltiplos, não raramente, um par de estrelas binárias pode terminar suas vidas como estrelas de nêutrons. E com o tempo, eles podem espiralar um em direção ao outro e colidir. 

Quando essas colisões catastróficas ocorrem, elas explodem raios gama que podem ser detectados por telescópios depois de viajar por bilhões de anos. Os mashups estelares também produzem ondas gravitacionais, algumas das quais podem ser detectadas por instalações como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) nos EUA e Virgo na Europa. Com base nessas observações, os cientistas atualmente pensam que, se a estrela de nêutrons resultante for mais massiva do que cerca de 2,2 vezes que o Sol, ela entrará em colapso em um buraco negro.

Se não for muito massiva, então uma estrela de nêutrons hipermassiva pode sobreviver - mas apenas por uma fração de segundo.

"Não há escapatória", disse Chirenti. "Ele só fica lá por este breve tempo porque está girando tão rápido." (Os astrônomos viram um que sobreviveu por quase um dia, mas esse é excepcional.)

Lançando luz sobre estrelas de nêutrons hipermassivas

Para tentar obter mais informações sobre essas estrelas de vida curta, Chirenti e sua equipe observaram que os modelos de computador preveem que o brilho dos raios gama de um HMNS pode cintilar alguns milhares de vezes por segundo. Assim, ao determinar a taxa precisa dessa cintilação, os astrônomos poderiam potencialmente obter informações sobre o tamanho e a taxa de rotação do HMNS. Mas, até o momento, tais oscilações de raios gama não haviam sido identificadas.

Assim, Chirenti e seus colegas vasculharam dados de arquivo de três observatórios de raios gama baseados no espaço da NASA: o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi e o Observatório Neil Gehrels Swift (ambos operacionais hoje), bem como o Observatório de Raios Gama Compton.

Como um HMNS ainda está "tremendo e balançando", como Chirenti colocou, uma estrela de nêutrons hipermassiva produz oscilações quase periódicas (QPOs). Isso significa que, em vez de cintilar uniformemente em uma única frequência, há uma lavagem de frequências centradas em torno de frequências de pico.

Chirenti compara isso a ouvir um diapasão emitir uma única frequência limpa versus ouvir uma orquestra afinar seus instrumentos antes de um concerto: nem tudo está totalmente em sintonia, mas você ainda pode distinguir alguns tons que são mais fortes do que outros.

Dos mais de 700 eventos analisados, a equipe encontrou QPOs em dois deles, designados GRB 910711 e GRB 931101B. Ambos foram detectados pela Compton, que a NASA operou durante a década de 1990 e desorbitou em 2000. Apesar da idade de Compton, para este estudo, "foi um instrumento incrível por causa de sua grande área de detector e grandes capacidades de temporização", disse Chirenti.

Sua análise descobriu que as oscilações mais fortes estavam em uma frequência de aproximadamente 2.600 vezes por segundo. De acordo com simulações, isso sugere que o HMNS responsável está girando pelo menos 1.300 vezes por segundo. 

No entanto, essa taxa de rotação é apenas um limite inferior: assim como a luz é desviada para o vermelho pela expansão do universo, a frequência da oscilação quase periódica pode ter sido maior originalmente. Mas mesmo que estivesse muito próximo, o HMNS ainda estaria girando quase duas vezes mais rápido que o pulsar mais rápido conhecido, uma classe de estrelas de nêutrons girando rapidamente. 

"Esses resultados são muito importantes, pois preparam o terreno para futuras medições de estrelas de nêutrons hipermassivas por observatórios de ondas gravitacionais", disse Chryssa Kouveliotou, presidente do departamento de física da Universidade George Washington, em Washington, que não esteve envolvida no estudo, em um comunicado de imprensa da NASA. 

Chirenti espera que, até a década de 2030, detectores de ondas gravitacionais mais avançados sejam capazes de estudar as ondulações espaço-temporais produzidas por estrelas de nêutrons hipermassivas. 

"Enquanto isso", diz Chirenti, "continuaremos procurando por eles em raios gama".

Fonte: Astronomy.com