Astrofísicos descobrem a explosão perfeita no espaço

Quando as estrelas de neutrões colidem, produzem uma explosão que, ao contrário do que se pensava até há pouco tempo, tem a forma de uma esfera perfeita. Embora o modo como isto é possível ainda seja um mistério, a descoberta pode fornecer uma nova chave para a física fundamental e para medir a idade do Universo. 

Ilustração de uma quilonova. Crédito: Robin Dienel/Instituto Carnegie para Ciência

A descoberta foi feita por astrofísicos da Universidade de Copenhaga e acaba de ser publicada na revista Nature. As quilonovas - as explosões gigantescas que ocorrem quando duas estrelas de neutrões se orbitam uma à outra e finalmente colidem - são responsáveis pela criação de coisas grandes e pequenas no Universo, desde os buracos negros até aos átomos no anel de ouro que se usa e o iodo no nosso corpo. 

Elas dão origem às condições físicas mais extremas do Universo e é nestas condições extremas que o Universo fabrica os elementos mais pesados da tabela periódica, tais como ouro, platina e urânio.

Mas ainda há muito que desconhecemos acerca deste fenómeno violento. Quando uma quilonova foi detetada a 140 milhões de anos-luz de distância em 2017, foi a primeira vez que os cientistas puderam obter dados detalhados. Cientistas de todo o mundo continuam a interpretar os dados desta explosão colossal, incluindo Albert Sneppen e Darach Watson da Universidade de Copenhaga, que fizeram uma descoberta surpreendente.

"Temos duas estrelas supercompactas que se orbitam uma à outra 100 vezes por segundo antes de colapsarem. A nossa intuição, e todos os modelos anteriores, dizem que a nuvem de explosão criada pela colisão deve ter uma forma achatada e bastante assimétrica", diz Albert Sneppen, estudante de doutoramento no Instituto Niels Bohr e primeiro autor do estudo publicado na revista Nature.

É por isso que ele e os seus colegas de investigação estão surpreendidos por descobrir que este não é de todo o caso para a quilonova de 2017. É completamente simétrica e tem uma forma muito próxima a uma esfera perfeita.

"Ninguém esperava que a explosão tivesse este aspeto. Não faz sentido que seja esférica, como uma bola. Mas os nossos cálculos mostram claramente que é. Isto significa provavelmente que as teorias e simulações de quilonovas que temos vindo a considerar nos últimos 25 anos carecem de física importante", diz Darach Watson, professor associado do Instituto Niels Bohr e segundo autor do estudo.

A forma esférica é um mistério

Mas o modo como a quilonova pode ser esférica é um verdadeiro mistério. De acordo com os investigadores, deve haver física inesperada em jogo:

"O modo mais provável de tornar a explosão esférica é se uma enorme quantidade de energia explodir do centro da explosão e suavizar uma forma que de outra maneira seria assimétrica. Assim, a forma esférica diz-nos que há provavelmente muita energia no centro da colisão, o que era imprevisto", diz Albert Sneppen. 

Quando as estrelas de neutrões colidem, estão unidas, brevemente como uma única estrela de neutrões hipermassiva, que depois colapsa para um buraco negro. Os investigadores especulam se é neste colapso que uma grande parte do segredo está escondido:

"Talvez uma espécie de 'bomba magnética' seja criada no momento em que a energia do enorme campo magnético da estrela de neutrões hipermassiva é libertada quando a estrela colapsa para um buraco negro. A libertação de energia magnética poderia provocar uma distribuição mais esférica da matéria na explosão. Nesse caso, o nascimento do buraco negro pode ser muito energético", diz Darach Watson.

Ilustração da explosão esférica feita por Albert Sneppen.

No entanto, esta teoria não explica outro aspeto da descoberta dos investigadores. De acordo com os modelos anteriores, enquanto todos os elementos produzidos são mais pesados do que o ferro, os elementos extremamente pesados, como o ouro ou o urânio, devem ser formados em locais diferentes na quilonova do que os elementos mais leves como o estrôncio ou o crípton, e devem ser expelidos em direções diferentes. Os investigadores, por outro lado, detetam apenas os elementos mais leves e estes são distribuídos uniformemente no espaço.

Pensam, portanto, que as partículas elementares enigmáticas, neutrinos, sobre as quais muito ainda é desconhecido, desempenham também um papel fundamental no fenómeno.

"Uma ideia alternativa é que nos milissegundos em que a estrela de neutrões hipermassiva vive, ela emite de forma muito poderosa, incluindo possivelmente um número enorme de neutrinos. Os neutrinos podem fazer com que os neutrões se convertam em protões e eletrões e assim criar elementos mais leves em geral. Esta ideia também tem falhas, mas achamos que os neutrinos desempenham um papel ainda mais importante do que pensávamos", diz Albert Sneppen.

Uma nova régua cósmica

A forma da explosão também é interessante por uma razão completamente diferente:

"Entre os astrofísicos há uma grande discussão sobre a rapidez a que o Universo se está a expandir. A velocidade diz-nos, entre outras coisas, qual a idade do Universo. E os dois métodos que existem para o medir discordam em cerca de mil milhões de anos. Aqui podemos ter um terceiro método que pode complementar e ser testado contra as outras medições", diz Albert Sneppen.

A chamada "escada de distâncias cósmicas" é o método utilizado hoje em dia para medir a rapidez com que o Universo está a crescer. Isto é feito simplesmente calculando a distância entre diferentes objetos no Universo, que atuam como degraus na escada.

"Se forem brilhantes e na sua maioria esféricas, e se soubermos a que distância estão, podemos usar as quilonovas como uma nova forma de medir independentemente a distância - um novo tipo de régua cósmica", diz Darah Watson e continua:

"Saber a forma é aqui crucial, porque se tivermos um objeto que não é esférico, ele emite de forma diferente dependendo do seu ângulo de visão. Uma explosão esférica proporciona uma precisão muito maior na medição".

Ele enfatiza que isto requer dados de mais quilonovas. Eles esperam que os observatórios LIGO detetem muitas mais quilonovas nos próximos anos.

Fonte: news.ku.dk