Contatos imediatos entre estrelas e buracos negros

Título: Close Encounters of Stars with Stellar-mass Black Hole Binaries

Autores: Taeho Ryu, Rosalba Perna, Yihan Wang

Instituição do primeiro autor: Max Planck Institute for Astrophysics, Alemanha

Status: publicado no MNRAS [acesso aberto no arXiv]

Em 2015, o LIGO e o Virgo detectaram ondas gravitacionais resultantes da fusão de dois buracos negros. Essa descoberta inaugurou uma nova forma de observar o universo e despertou interesse no estudo da formação e evolução de buracos negros binários (BNBs). Em ambientes densos, como aglomerados globulares, espera-se ocorra interação entre estrelas e BNBs. O que acontece quando uma única estrela interage com uma dupla de buraco negros? Os buracos negros engoliriam a estrela ou a destruiriam? Que tipo de fenômenos detectáveis por meio de ondas eletromagnéticas e gravitacionais resultam desse processo? Essas são algumas das questões abordadas pelos autores do artigo de hoje.

Quando uma estrela interage com um buraco negro binário, ocorre troca de energia e de momento angular. Para estudar esse processo em detalhes, os autores realizaram simulações hidrodinâmicas de encontros entre uma estrela com uma massa igual a do Sol e buracos negros binários de massa estelar. Eles estudaram como tais eventos afetariam buracos negros binários, rastreando a evolução dos parâmetros orbitais do sistema (como excentricidade e semi-eixo maior). Tais encontros podem resultar em um evento de ruptura de maré, em que a estrela é dilacerada pela força de maré exercida pelos buracos negros (veja a Figura 1). Os eventos de ruptura de maré são interessantes, pois geralmente produzem uma assinatura eletromagnética que pode ser observada como uma contrapartida da onda gravitacional proveniente da fusão dos buracos negros. Encontros próximos com estrelas podem também acelerar a fusão entre buracos negros binários. Portanto, é útil entender como as escalas de tempo de fusão são afetadas quando ocorre um evento de ruptura de maré.

Simulando encontros imediatos

Os autores usaram um código hidrodinâmico chamado Phantom para modelar as interações entre a estrela de massa solar e os BNBs. Um conjunto de condições iniciais para os parâmetros orbitais do sistema BNB é escolhido. No sistema binário, o buraco negro que perturba a estrela que se aproxima é chamado de disruptor, e o outro buraco negro é chamado de espectador. As simulações são categorizadas como fluxo regular ou irregular de detritos com base na trajetória dos detritos resultantes do evento de ruptura de maré e na sua interação com o buraco negro espectador. Em um fluxo regular de detritos (painéis superiores da Figura 2), a estrela é rompida pelo buraco negro disruptor, e a forma dos detritos é muito semelhante a um evento de ruptura de maré comum, causado por único buraco negro. Em um fluxo de detritos irregular (painéis inferiores da Figura 2), os detritos interagem com o buraco negro espectador e perturbam todo o fluxo de detritos. Neste caso, o fluxo torna-se irregular com interações violentas entre os detritos e o binário.

O ângulo de aproximação da estrela é crítico para esses encontros. Um ângulo de inclinação zero corresponde a um encontro em que a órbita do binário vai na mesma direção que a órbita da estrela que se aproxima do sistema (encontro prógrado). Os autores também realizaram simulações para encontros retrógrados no plano, que têm um ângulo de inclinação de 180 graus. A Figura 2 mostra a distribuição de densidade para esses dois tipos de simulação.

O que as simulações nos dizem?

As simulações mapeiam as mudanças nos parâmetros orbitais do binário causadas pelos encontros imediatos. Os autores encontraram uma mudança na separação orbital dos binários em todas as suas simulações. Encontros prógrados tendem a aumentar o semi-eixo maior e tornar o par menos compacto, enquanto encontros retrógrados aproximam os buracos negros. Se o binário inicial estiver em uma órbita circular, os eventos de ruptura de maré podem torná-lo excêntrico para encontros prógrados e retrógrados. No entanto, se o binário tiver alguma excentricidade inicial diferente de zero, ela aumenta para encontros retrógrados e diminui para prógrados.

As simulações mostram que o efeito dos eventos de ruptura de maré na separação e excentricidade do sistema de buracos negros binários é significativo (veja a Figura 3). Mudanças na separação e na excentricidade orbital afetam a escala de tempo de fusão do binário do buraco negro devido à emissão de ondas gravitacionais. As escalas de tempo de fusão para os sistemas binários estudados aqui estão na faixa de cem a um bilhão de anos. Os autores calcularam que os eventos de ruptura de maré em um encontro prógrado aumentam a escala de tempo de fusão por até um fator de dois em relação ao valor inicial, enquanto os encontros retrógrados diminuem a escala de tempo de fusão.

Até agora, LIGO e Virgo observaram apenas ondas gravitacionais de binários com órbitas circulares. Isso porque a maioria dos binários tem suas órbitas circularizadas devido à emissão de radiação gravitacional. Poderíamos detectar binários com alguma excentricidade diferente de zero no futuro, mas quantos deles existem e quais são nossas chances de vê-los? Este estudo mostra que eventos de ruptura de maré em aglomerados estelares atuam como um canal de formação vital para binários excêntricos. Portanto, é importante entender a frequência desses eventos e seus efeitos nos binários que podem ser detectados por LIGO-Virgo.

Eventos de ruptura de maré são um dos poucos eventos que podem levar à detecção de uma contraparte eletromagnética da fusão de buracos negros. Uma contrapartida eletromagnética para um evento de onda gravitacional nos fornece uma melhor compreensão da física da fonte. Detectamos anteriormente a radiação eletromagnética da fusão de duas estrelas de nêutrons detectada em ondas gravitacionais. Esperamos ver um aumento no número de eventos de ruptura de maré detectáveis com mapeamentos do céu como o eRosita, o Zwicky Transient Facility (ZTF) e os futuros mapeamentos como o LSST do Vera Rubin Observatory. Seria fascinante ver uma detecção de evento de ruptura de maré com um sinal de onda gravitacional.

Adaptado de Close Encounters of stars with the black hole binaries kind, escrito por Pranav Satheesh.