Cientistas encontram misterioso corpo escuro no espaço

Objeto, com massa 2,6 vezes maior que a do Sol, fica na fronteira entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro

Concepção artística do misterioso objeto descoberto: no limiar entre a estrela de nêutrons mais pesada e o buraco negro mais leve. Crédito: Alex Andrix/Virgo/EGO

Quando morrem, as estrelas mais massivas colapsam sob sua própria gravidade e deixam para trás buracos negros. Já quando estrelas um pouco menos massivas morrem, elas explodem em supernovas e deixam para trás restos densos e mortos de estrelas chamados estrelas de nêutrons. Durante décadas, os astrônomos ficaram intrigados com uma lacuna que fica entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros. A estrela de nêutrons mais pesada conhecida não tem mais que 2,5 vezes a massa do Sol, ou 2,5 massas solares. Por seu lado, o buraco negro mais leve é ​​de cerca de 5 massas solares. A questão permanecia: existe alguma coisa nesse chamado intervalo de massa?

Em um novo estudo do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (Ligo, na sigla em inglês), da National Science Foundation (NSF), dos EUA, e do detector Virgo, na Europa, cientistas anunciaram a descoberta de um objeto escuro de 2,6 massas solares, o que o coloca firmemente no intervalo de massa. O objeto foi encontrado em 14 de agosto de 2019, quando se fundiu com um buraco negro de 23 massas solares. O evento gerou um salpicar de ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo Ligo e pelo Virgo. Um artigo sobre a detecção foi publicado na revista “The Astrophysical Journal Letters”.

“Estamos esperando décadas para resolver esse mistério”, diz a coautora Vicky Kalogera, professora da Universidade Northwestern (EUA). “Não sabemos se esse objeto é a estrela de nêutrons mais pesada conhecida ou o buraco negro mais leve conhecido, mas de qualquer forma ele quebra um recorde.”

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Fusão cósmica

“Isso vai mudar a maneira como os cientistas falam sobre estrelas de nêutrons e buracos negros”, diz o coautor Patrick Brady, professor da Universidade de Wisconsin em Milwaukee (EUA) e porta-voz da Ligo Scientific Collaboration. “O intervalo de massa pode, de fato, não existir, mas pode ter sido devido a limitações nas capacidades de observação. O tempo e mais observações revelarão.”

Ilustração que põe lado a lado o buraco negro com 23 vezes a massa do Sol e o objeto misterioso com massa 2,6 vezes maior que a do Sol que se fundiu com ele. Os cientistas não sabem se o objeto misterioso era uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, mas de qualquer modo ele estabeleceu um recorde: é a estrela de nêutrons mais pesada conhecida ou o buraco negro mais leve conhecido. Crédito: Ligo/Caltech/MIT/R. Ferido (Ipac)

A fusão cósmica descrita no estudo, um evento chamado GW190814, resultou em um buraco negro final cerca de 25 vezes a massa do Sol (parte da massa mesclada foi convertida em uma explosão de energia na forma de ondas gravitacionais). O recém-formado buraco negro fica a cerca de 800 milhões de anos-luz da Terra.

Antes da fusão dos dois objetos, suas massas diferiam em um fator de 9. Essa, portanto, é a razão de massa mais extrema conhecida por um evento de onda gravitacional. Outro evento recentemente relatado pelo Ligo-Virgo, chamado GW190412, ocorreu entre dois buracos negros com uma proporção de massa de cerca de 4:1.

Colisão incandescente

“É um desafio para os modelos teóricos atuais formar pares de objetos compactos mesclados com uma proporção de massa tão grande na qual o parceiro de massa baixa reside no intervalo de massa. Essa descoberta implica que tais eventos ocorrem com muito mais frequência do que o previsto, produzindo um objeto de baixa massa realmente intrigante”, explica Kalogera. “O objeto misterioso pode ser uma estrela de nêutrons se fundindo com um buraco negro, uma possibilidade emocionante esperada em teoria, mas ainda não confirmada em termos observacionais. No entanto, com 2,6 vezes a massa do nosso Sol, ele excede as previsões modernas para a massa máxima de estrelas de nêutrons, e pode ser o buraco negro mais leve já detectado.”

Quando os cientistas do Ligo e do Virgo descobriram essa fusão, imediatamente enviaram um alerta à comunidade astronômica. Dezenas de telescópios terrestres e espaciais passaram a procurar ondas de luz geradas no evento, mas nenhum captou o menor sinal.

Até agora, essas contrapartes de luz nos sinais das ondas gravitacionais foram vistas apenas uma vez, em um evento chamado GW170817. Esse evento, descoberto pela rede Ligo-Virgo em agosto de 2017, envolveu uma colisão incandescente entre duas estrelas de nêutrons que foi posteriormente testemunhada por dezenas de telescópios na Terra e no espaço.

As colisões de estrelas de nêutrons são eventos confusos. Neles, a matéria é lançada em todas as direções e, portanto, espera-se que brilhe com luz. Inversamente, acredita-se que as fusões de buracos negros não produzam luz.

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De acordo com os cientistas do Ligo e do Virgo, o evento de agosto de 2019 não foi visto pelos telescópios baseados em luz por alguns motivos possíveis. Primeiramente, esse evento foi seis vezes mais distante do que a fusão observada em 2017, tornando mais difícil captar qualquer sinal de luz. Em segundo lugar, se a colisão envolvesse dois buracos negros, provavelmente não teria brilhado com nenhuma luz. Em terceiro lugar, se o objeto fosse de fato uma estrela de nêutrons, seu parceiro de buraco negro nove vezes mais massivo poderia tê-lo engolido todo; uma estrela de nêutrons consumida inteira por um buraco negro não emitiria luz.

“Penso no Pac-Man comendo um pontinho”, diz Kalogera. “Quando as massas são altamente assimétricas, a estrela menor de nêutrons pode ser comida em uma mordida.”

Como os pesquisadores saberão se o objeto misterioso era uma estrela de nêutrons ou um buraco negro? Observações futuras com o Ligo, o Virgo e possivelmente outros telescópios poderão capturar eventos semelhantes. Eles ajudariam a revelar se objetos adicionais existem no intervalo de massa.

Quebra-cabeça interessante

“Este é o primeiro vislumbre do que poderia ser uma população totalmente nova de objetos binários compactos”, diz Charlie Hoy, membro da Ligo Scientific Collaboration e estudante de pós-graduação na Universidade de Cardiff (Reino Unido). “O que é realmente emocionante é que isso é apenas o começo. À medida que os detectores se tornam cada vez mais sensíveis, observaremos ainda mais esses sinais e seremos capazes de identificar as populações de estrelas de nêutrons e buracos negros no universo.”

“O intervalo de massa é um quebra-cabeça interessante há décadas, e agora detectamos um objeto que se encaixa bem nele”, diz Pedro Marronetti, diretor do programa de física gravitacional da NSF. “Isso não pode ser explicado sem desafiar nossa compreensão de matéria extremamente densa ou o que sabemos sobre a evolução das estrelas. Essa observação é mais um exemplo do potencial transformador do campo da astronomia das ondas gravitacionais, que traz idéias originais a cada nova detecção.”

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