Astrônomos testemunharam, em 17 de agosto de 2017, um evento celestial extraordinário: uma colisão entre duas estrelas de nêutrons ultradensas. Os cientistas nunca haviam visto nada parecido, levantando muita especulação sobre o que aconteceu na sequência do encontro monumental. Uma nova pesquisa sugere agora que a colisão produziu um buraco negro — mas, se for verdade, este seria o buraco negro mais leve conhecido pela ciência.

A ideia de duas estrelas de nêutrons colidindo uma com a outra é surpreendente. As estrelas de nêutrons são cadáveres estelares — as supernovas remanescentes — e condensam uma enorme quantidade de massa em uma só esfera ridiculamente pequena. Estrelas de nêutrons típicas são tão largas quanto uma cidade grande, mas são cerca de meio milhão de vezes mais massivas que a Terra, ou cerca de duas vezes a massa solar.

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Uma colisão de duas estrelas de nêutrons pode parecer improvável, mas aconteceu. Dados do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) e do interferômetro Virgo mostraram que a as coisas ficaram completamente agitadas nos momentos que antecederam a enorme colisão. Por um período de cerca de dois minutos, o par binário girou em torno um do outro com velocidade inimaginável, lançando ondas gravitacionais no vazio cósmico. Cada órbita aproximou mais o par, culminando em uma colisão que produziu uma onda de choque gigante.

Astrônomos já haviam visto pares de buracos negros fazendo a mesma dança celestial, mas duas estrelas de nêutrons se juntando foi algo completamente novo. O produto final da fusão permanece um mistério, mas uma nova pesquisa publicada nesta semana no periódico Astrophysical Journal Letters sugere que a colisão gerou um pequeno buraco negro.

Depois que duas estrelas passaram por explosões de supernova, duas estrelas de nêutrons foram deixadas para trás. Nova pesquisa sugere que a radiação de onda gravitacional as uniu até que elas se fundissem e entrassem em colapso, formando um buraco negro. Imagem: CXC/M. Weiss; X-ray: NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.

Usando o Chandra X-ray Observatory, da NASA, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Califórnia em Berkeley procuraram entender o que aconteceu durante e depois da fusão. Os dados do LIGO sugeriram que o novo objeto, chamado de GW170817, tinha uma massa cerca de 2,7 vezes maior que a do nosso Sol. Essa é uma descoberta bastante curiosa, porque não se encaixa no que sabemos sobre estrelas de nêutrons ou buracos negros. Se for uma estrela de nêutrons, o GW170817 seria o objeto mais massivo de seu tipo conhecido pela ciência; as maiores estrelas de nêutrons conhecidas têm entre 2,3 a 2,4 massas solares — esses objetos já estão testando os limites de quanto material pode ser empacotado em um pequeno espaço antes de entrar em colapso e virar um buraco negro. Mas se for um buraco negro, seria o buraco negro menos massivo já detectado, já que os menores buracos negros têm entre quatro e cinco massas solares.

Eis o legal das estrelas de nêutrons: elas também são pulsares. Esses objetos de alta densidade que giram rapidamente geram poderosos campos magnéticos e uma bolha de partículas de alta energia. Na Terra, devemos ver isso como uma assinatura distinta e forte de raios-X. Usando o Chandra, os autores do novo estudo mediram raios-X provenientes do GW170817 nos dias, semanas e meses após a fusão. Como mostra o novo estudo, as emissões de raios-X desse objeto eram muito menores do que o esperado de uma estrela de nêutrons supermassiva e de rápida rotação — cerca de centenas de vezes menor. Daí a conclusão do estudo de que a fusão produziu um buraco negro, ainda que muito pequeno.

“É possível que tenhamos respondido a uma das perguntas mais básicas sobre este evento deslumbrante: o que ele fez?”, Pawan Kumar, coautor do novo estudo e astrônomo da Universidade do Texas em Austin, disse em um comunicado. “Os astrônomos há muito suspeitavam que as fusões de estrelas de nêutrons formariam um buraco negro, mas não tínhamos uma forte razão para isso até agora.”

Se confirmado, isso aponta para um processo bastante complexo de formação de buracos negros. Nesse caso, deveria haver um par de explosões de supernova, cujos restos formaram estrelas de nêutrons, que por acaso estavam próximas o suficiente para eventualmente se unirem. Mas isso não é tão estranho quanto pode parecer. Mais de 80% das estrelas massivas, como as estrelas do tipo O e B, vêm em pares binários. E, pelo fato de as estrelas normalmente nascerem juntas, elas frequentemente morrem juntas, ou pelo menos em curtos períodos de tempo cosmológico. Portanto, não deveria ser uma surpresa que as estrelas de nêutrons binárias existam e que, às vezes, elas se juntem para produzir buracos negros.

Isso se este objeto for realmente um buraco negro. O título do novo estudo, “GW170817 muito provavelmente criou um buraco negro”, aponta para essa incerteza. De fato, observações seguintes serão necessárias para se afirmar definitivamente. Se o GW170817 for um buraco negro, os astrônomos podem esperar ver as emissões de raios-X se tornarem progressivamente mais fracas. Se for uma estrela de nêutrons, ela deve começar a brilhar tanto nos raios-X quanto nos comprimentos de onda de rádio, à medida que sua bolha de partículas de alta energia alcance a onda de choque de raios-X em desaceleração. De qualquer forma, devemos saber nos próximos anos.

Independentemente disso, será um resultado empolgante. A ciência das ondas gravitacionais está realmente mudando o que os astrônomos são capazes de ver.

“No começo da minha carreira, astrônomos só podiam observar estrelas de nêutrons e buracos negros em nossa própria galáxia, e agora estamos observando essas estrelas exóticas em todo o cosmos”, disse o coautor Bruce Gossan, da Universidade da Califórnia em Berkeley. “Que momento emocionante para estar vivo, para ver instrumentos como o LIGO e o Chandra nos mostrando tantas coisas emocionantes que a natureza tem a oferecer.”

[Astrophysical Journal Letters]

Imagem do topo: CXC/M. Weiss; X-ray: NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.