O que é aquilo no céu? É um buraco negro? Uma estrela de nêutrons? Boa pergunta.

Título: GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 M Black Hole with a 2.6 M Compact Object

Autores: The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration

Status: publicado no ApJ Letters [acesso aberto]

Nos últimos cinco anos, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO, relatou detecções de ondas gravitacionais decorrentes da fusão de buracos negros em um sistema binário e de estrelas de nêutrons em uma binária. No seu terceiro período de observação, O3, que ocorreu de 1 de abril a 30 de setembro de 2019, o LIGO, em conjunto com o Virgo, já reportou duas novas e sensacionais detecções: a fusão de dois buracos negros com a maior diferença de massa já detectada até então (GW190412) e a segunda fusão entre estrelas de nêutrons (GW190425). O artigo de hoje discute o anúncio do evento mais recente, GW190814 (mostrado na Figura 1), que pode trazer novas ideias sobre a formação de sistemas binários com grande diferença de massa e ajudar-nos a entender o que há no interior de estrelas de nêutrons.

Figura 1: energia gravitacional do evento GW190814, como vista pelos dois detectores do LIGO e pelo Virgo. O sinal é mais evidente no detector em Livingston. O aumento da frequência (eixo y) indica que o sistema está espiralando para separações cada vez menores, até se fundir. Esse sinal característico também é chamado de “pio”, ou chirp em inglês. Figura 1 do artigo.

O evento GW190814 é semelhante ao GW190412, pois a diferença entre as massas dos dois objetos é grande. O objeto mais pesado é seguramente um buraco negro com massa 23 vezes maior que a massa do Sol (ou seja, 23 M). A massa do objeto menor é de apenas 2,6 M, como mostra a Figura 2, mas não sabemos se é outro buraco negro, ou uma estrela de nêutrons. De qualquer forma, é um recorde: é ou o buraco negro menos massivo, ou a estrela de nêutrons mais massiva já observados em um sistema binário com outro objeto compacto.

Buraco negro ou estrela de nêutrons?

Essa é a questão. E é uma pergunta muito difícil de responder. Uma das razões é que nenhuma radiação eletromagnética foi observada como decorrente da fusão. Portanto, diferentemente da kilonova atribuída ao evento GW170817, não temos nada para investigar além das ondas gravitacionais. Além disso, não conhecemos muitos buracos negros ou estrelas de nêutrons com massas entre 2,5 e 5 M, intervalo conhecido como vazio de baixa massa. Isso torna difícil determinar se o objeto menor é um buraco negro ou uma estrela de nêutrons, já que há poucos exemplos para comparar.

Figura 2: as distribuições de probabilidade para as massas dos dois objetos compactos detectados no evento GW180914. A região azul escura mostra as massas mais prováveis dos dois objetos, com os contornos preto, laranja sólido e azul representando diferentes métodos de estimativa das massas. Os contornos mostram a região de 90% de probabilidade e estão em boa concordância. As probabilidades unidimensionais de cada massa são mostradas no painel superior para o objeto mais massivo e no painel direito para o objeto menos massivo. As regiões verde e laranja tracejada no painel direito mostram a probabilidade para a massa máxima de estrelas de nêutrons utilizando dois modelos diferentes. A região cinza corresponde a massas maiores do que o pico das regiões laranja e verde, sugerindo que é improvável que um objeto dessa massa seja uma estrela de nêutrons. Figura 3 no artigo.

Outra razão pela qual essa questão é difícil de responder é que não sabemos exatamente como a matéria se comporta dentro das estrelas de nêutrons. Esse comportamento, descrito por uma equação de estado, limita o quão massiva uma estrela de nêutrons pode ser, mas é muito difícil de determinar. Uma colher de sopa de estrela de nêutrons pesaria mais do que o Monte Everest (isso é cerca de um bilhões de toneladas!), de modo que não podemos fabricar materiais tão densos na Terra para estudar essa equação. A equação de estado de estrela de nêutrons é, portanto, constantemente revisada com base em medidas de massas de estrelas de nêutrons. A estrela de nêutrons mais pesada conhecida tem cerca de 2,14 M, ou seja, é mais leve que o objeto de 2,6 M no sistema observado. Ao comparar as massas máximas de diferentes equações de estado propostas para estrelas de nêutrons, os autores concluem que é improvável, embora não impossível, que esse objeto menor seja uma estrela de nêutrons. Como “improvável” não é uma resposta conclusiva, os autores recorreram a outros métodos.

Eles tentaram determinar a natureza desse objeto usando o que a relatividade geral diz sobre a rotação de buracos negros e de estrelas de nêutrons. Estudando a forma da onda gravitacional, os autores tentaram estimar a rotação do objeto menor no sistema para verificar se ela é mais compatível com uma estrela de nêutrons ou com um buraco negro. Infelizmente, os resultados desse estudo foram bastante ambíguos, fornecendo poucas informações sobre a natureza do objeto menor. Portanto, os autores foram capazes de dizer apenas que o objeto menor no sistema binário provavelmente não era uma estrela de nêutrons, mas eles não podem descartar essa possibilidade completamente.

Então, o que podemos aprender com o GW190814?

Se o objeto menor for de fato uma estrela de nêutrons, podemos colocar novos limites na equação de estado, permitindo que essas estrelas sejam ainda mais densas e tenham pressões internas mais altas do que se pensava anteriormente. Atualmente, existem poucos modelos que permitem que as estrelas de nêutrons tenham massas de 2,6M, então isso daria uma nova visão de como a matéria se comporta dentro de uma estrela de nêutrons.

Mesmo que o GW190814 acabe sendo outra fusão entre buracos negros, nos diz que existem buracos negros com massas baixas, dentro do vazio de baixas massas mencionado acima. Além disso, esse é agora o segundo evento relatado pelo LIGO/Virgo com massas significativamente desigual entre as componentes, mostrando que existem muitos mais sistemas como esse do que inicialmente esperado. Encontrar mais sistemas com massas desiguais também nos permite estudar como eles podem se formar. Os autores mostraram inclusive que o GW190814 desfavorece ambientes de formação como aglomerados globulares e favorece ambientes como os centros de galáxias perto de buracos negros supermassivos.

Será que algum dia saberemos o que é esse sistema?

Talvez, mas provavelmente não por um tempo. À medida que os astrônomos determinam a massa de mais estrelas de nêutrons, descobrem objetos com baixas massas e relatam mais sistemas em fusão como esse, poderemos ser capazes de impor limites mais restritos na natureza do objeto menor observado no evento GW190814. É possível que o LIGO/Virgo encontre mais sistemas como esse, e espera-se que futuros detectores de ondas gravitacionais como o LISA encontrem muitos desses sistemas binários de objetos compactos de baixa massa. Portanto, talvez tenhamos que esperar por agora, mas como novas e emocionantes descobertas continuam sendo relatadas, pode não demorar muito!


Adaptado de Look, Up in the Sky! Is it a Black Hole? Is it a Neutron Star? Good Question., escrito por Brent Shapiro-Albert.

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