Uma nova simulação criada usando um supercomputador da NASA mostrou como as coisas ficam complicadas com a fusão de estrelas de nêutrons antes mesmo de elas se chocarem; suas magnetosferas, os campos magnéticos mais poderosos do universo conhecido, entrelaçam-se e geram o caos.
“Pouco antes da queda das estrelas de nêutrons, as regiões altamente magnetizadas e cheias de plasma ao seu redor, chamadas magnetosferas, começam a interagir fortemente”, disse o líder da equipe Dimitrios Skiathas, pesquisador do Goddard Flight Center da NASA, em um comunicado. “Estudamos as últimas órbitas antes da fusão, quando os campos magnéticos entrelaçados sofrem mudanças rápidas e dramáticas, e modelamos sinais de alta energia potencialmente observáveis.”
O que torna as estrelas de nêutrons tão extremas?
Quando estrelas com aproximadamente a mesma massa do Sol ficam sem hidrogênio, o combustível necessário para fusão nuclear em seus núcleos, seus núcleos entram em colapso e suas camadas externas incham e acabam sendo perdidas. Isso faz com que as estrelas terminem suas vidas como brasas estelares fumegantes chamadas anãs brancas.
No entanto, a situação é diferente para estrelas com cerca de 10 vezes a massa do Sol ou mais. Quando os seus núcleos esgotados de hidrogénio entram em colapso, a massa extra gera a pressão e as temperaturas necessárias para permitir que o hélio, criado nestes núcleos ao longo de milhões de anos de fusão do hidrogénio, se funda, formando elementos ainda mais pesados.
Este processo repetido de esgotamento de combustível, colapso e reacendimento continua até que o coração da estrela massiva esteja cheio de ferro. Quando este colapso final acontece, as ondas de choque atingem as camadas exteriores da estrela, que são destruídas numa explosão de supernova, levando consigo a grande maioria da massa da estrela.
O resultado é um remanescente estelar com uma massa entre uma e duas vezes a massa do Sol, cheio de matéria rica em neutrões comprimida numa largura de cerca de 20 quilómetros. O rápido esmagamento deste núcleo estelar não apenas cria um corpo de densidade incrível, mas também cria campos magnéticos que podem ser de 1 quatrilhão vezes mais forte do que Magnetosfera da Terra.
Estrelas massivas são frequentemente encontradas em pares binários com uma companheira estelar e, nesses casos, quando ambas as estrelas morrem, o resultado é uma estrela binária de nêutrons. À medida que as duas estrelas mortas giram uma em torno da outra, elas geram ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais, que carregam o momento angular. Isso resulta no aperto binário da estrela de nêutrons. Por outras palavras, os remanescentes estelares aproximam-se, fazendo com que emitam ondas gravitacionais de frequências mais elevadas, perdendo momento angular mais rapidamente e aproximando-se ainda mais rapidamente.
Isso termina quando as estrelas de nêutrons estão próximas o suficiente umas das outras para que sua gravidade assuma o controle, levando a uma inevitável colisão e fusão. Isso causa uma explosão de radiação de alta energia chamada explosão de raios gama (GRB), um grito final de ondas gravitacionais, e envia um spray de matéria rica em nêutrons, que permite a ocorrência de um processo que gera elementos muito pesados, mas instáveis. Estes eventualmente se decompõem para criar ouro, prata e outros metais mais pesados que o ferro. A decadência também cria um brilho que os astrônomos chamam de quilonova.
O facto de estes eventos serem responsáveis pela criação de alguns dos nossos elementos mais preciosos e importantes, bem como de fenómenos cósmicos brilhantes como GRBs e quilonovas, significa que tem havido uma forte tendência para estudar os efeitos posteriores das fusões de estrelas de neutrões.
Skiathas e colegas adotaram uma abordagem diferente, analisando com mais profundidade o que acontece antes do encontro das estrelas de nêutrons.
Magnetismo bagunçado
Para considerar os 7,7 milissegundos anteriores à fusão das estrelas de neutrões, a equipa recorreu ao supercomputador Pleiades da NASA no Ames Research Center da NASA, criando mais de 100 simulações de um sistema de duas estrelas de neutrões, cada uma com cerca de 1,4 vezes a massa do Sol.
“Em nossas simulações, a magnetosfera se comporta como um circuito magnético que se reconecta continuamente à medida que as estrelas orbitam. As linhas de campo se conectam, se rompem e se reconectam enquanto as correntes surgem através do plasma movendo-se quase à velocidade da luz, e os campos que variam rapidamente podem acelerar as partículas”, disse o membro da equipe Constantinos Kalapotharakos, da NASA Goddard, no comunicado. “Seguir essa evolução não linear em alta resolução é exatamente a razão pela qual precisamos de um supercomputador!”
O principal objetivo da equipe era investigar como os campos magnéticos desses remanescentes estelares impactavam a luz, ou radiação eletromagnética em termos técnicos, durante as órbitas finais das estrelas de nêutrons em torno umas das outras.
“Nosso trabalho mostra que a luz emitida por esses sistemas varia muito em brilho e não é distribuída uniformemente, então a perspectiva de um observador distante sobre a fusão é muito importante”, acrescentou Zorawar Wadiasingh, membro da equipe da Universidade de Maryland, College Park, e NASA Goddard, no comunicado. “Os sinais também ficam muito mais fortes à medida que as estrelas se aproximam cada vez mais, de uma forma que depende das orientações magnéticas relativas das estrelas de neutrões.”
As simulações revelaram que os respectivos campos magnéticos das estrelas de nêutrons varriam atrás delas enquanto orbitavam umas às outras, conectando os remanescentes estelares, depois quebrando-se e depois reconectando-se novamente.
Os pesquisadores também conseguiram usar as Plêiades para simular como as forças eletromagnéticas impactaram as superfícies das estrelas de nêutrons. O objetivo disto era determinar como a tensão magnética se acumula em tais sistemas, mas serão necessários modelos futuros para determinar como a interação magnética desempenha um papel nos momentos finais de uma fusão de estrelas de nêutrons.
“Tal comportamento poderia ser impresso em sinais de ondas gravitacionais que seriam detectáveis em instalações de próxima geração”, disse Demóstenes Kazanas, membro da equipe e pesquisador do Goddard da NASA, no comunicado. “Um valor de estudos como este é ajudar-nos a descobrir o que os futuros observatórios poderão ser capazes de ver e devem procurar tanto nas ondas gravitacionais como na luz.”
Os investigadores conseguiram utilizar os campos magnéticos simulados para identificar os pontos onde foram criadas as emissões de maior energia e como essas emissões se propagariam através do ambiente da fusão das estrelas de neutrões.
Os investigadores descobriram que as regiões em torno das fusões de estrelas de neutrões produzem raios gama com alta energia, mas esta radiação não conseguiu escapar. Isso ocorreu porque os fótons dos raios gama, partículas individuais de luz, foram rapidamente transformados em pares de elétrons e pósitrons. No entanto, os raios gama de energia mais baixa foram capazes de escapar da fusão das estrelas de nêutrons junto com radiações de energia ainda mais baixa, como os raios X.
Isso significa futuro raio gama telescópios espaciais, especialmente aqueles com amplos campos de visão, poderiam ser usados para detectar sinais de estrelas de nêutrons à beira da fusão. Uma outra maneira pela qual esses sistemas poderiam ser estudados antes de uma fusão no futuro é através da detecção de ondas gravitacionais.
O projecto Laser Interferometer Space Antenna (LISA) da NASA/Agência Espacial Europeia poderia ser particularmente útil neste sentido. Com lançamento previsto para meados da década de 2030, o LISA será o primeiro detector de ondas gravitacionais baseado no espaço, beneficiando-se de uma sensibilidade muito maior do que a geração atual de detectores baseados na Terra, incluindo o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO). O Jornal Astrofísico.
