Pesquisadores descobriram uma nova maneira de detectar alguns dos eventos de fusão mais catastróficos do universo antes que eles aconteçam.
Estrelas de nêutrons, os núcleos extremamente densos de estrelas mortas massivas em espiral em direção umas às outras ou em um buraco negro, podem levantar ondas nos oceanos de partículas pesadas carregadas que cercam estrelas de nêutrons. Os pesquisadores descobriram que essas ondas de maré se manifestam por rajadas regulares de radiação eletromagnética que podem servir como um sistema de alerta antecipado para fusões iminentes.
As estrelas de nêutrons são provavelmente os objetos mais extremos do universo. Sim, os buracos negros podem ser mais exóticos, mas são relativamente simples – eles apenas têm muita gravidade. Em contraste, as estrelas de nêutrons são essencialmente núcleos atômicos gigantes, e isso envolve uma física interessante e complexa que os buracos negros não possuem.
Uma estrela de nêutrons típica tem um diâmetro de apenas alguns quilômetros, mas pode pesar várias vezes a massa do Sol. Eles consistem quase inteiramente de nêutrons (daí o nome), mas contêm populações de elétrons livres, prótons e íons de núcleos pesados. Eles nascem de supernovas – as explosões de estrelas massivas moribundas – e algumas delas podem conter os campos magnéticos mais fortes de todo o universo.
O interior das estrelas de nêutrons é o mais misterioso porque a pressão e a densidade são tão grandes que estão além do nosso conhecimento atual de física. Alguns modelos sugerem que os núcleos são simplesmente um fluxo uniforme de nêutrons, enquanto outros sugerem que os próprios nêutrons decaem em seus quarks. Atrás do núcleo interno há uma massa dura e lisa de nêutrons que lentamente se transforma em padrões mais complexos, como blocos e fios, conhecidos coletivamente como pasta nuclear.
Acredita-se que a crosta externa de uma estrela de nêutrons consiste em elétrons e nêutrons superfluidos que dão lugar a uma rede cristalina à medida que se aproxima da superfície. Finalmente, há o oceano - uma camada líquida de elétrons, nêutrons e íons a uma profundidade de 10 a 100 m.
A natureza extremamente exótica da matéria sob essas condições – nêutrons superfluidos geralmente não acontecem – faz das estrelas de nêutrons as principais candidatas ao estudo da física extrema. Essa ideia foi refinada após a descoberta de GW 170817, um sinal de onda gravitacional detectado junto com a emissão eletromagnética de duas estrelas de nêutrons em fusão. A codetecção, apelidada de astronomia multimensageira, permite que os físicos investiguem os núcleos de estrelas de nêutrons como nunca antes.
Mas desde que as ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez em 2017, não vimos nenhum outro evento de fusão de estrelas de nêutrons, o que é decepcionante porque as estrelas de nêutrons são um dos melhores laboratórios da natureza para testar física de alta energia.
Mas agora um novo método de observar o comportamento exótico das estrelas de nêutrons pode significar que não teremos que esperar muito mais. O novo artigo, publicado em maio no banco de dados de preprints arXiv, foca nos oceanos de estrelas de nêutrons, que, além de elétrons e nêutrons livres, também podem conter carbono, oxigênio e ferro. Embora os oceanos sejam relativamente rasos em comparação com toda a profundidade da estrela de nêutrons, eles são a camada externa (sem contar a "atmosfera" incrivelmente fina) e a parte da estrela de nêutrons que responde mais prontamente ao universo externo.
Em particular, os pesquisadores descobriram que esses oceanos rasos podem suportar marés como os oceanos da Terra. Mas aumentar a maré em uma estrela de nêutrons requer muito mais força gravitacional para superar toda essa gravidade extrema. As marés nas estrelas de nêutrons só aparecem quando a estrela de nêutrons está perto o suficiente de um objeto massivo e denso, como outra estrela de nêutrons ou um buraco negro.
Felizmente, esses binários são relativamente comuns, pois as estrelas normalmente se formam em vários sistemas e depois passam por seus ciclos de vida, deixando para trás combinações de buracos negros e estrelas de nêutrons.
Quando uma estrela de nêutrons começa a se fundir com outra estrela de nêutrons ou buraco negro, os objetos espiralam lentamente ao longo de vários anos. À medida que giram, as ondas gravitacionais retiram energia do sistema, aproximando o par. Afinal, nos momentos finais, a fusão é concluída em questão de segundos.
Mas antes que isso aconteça, o satélite em órbita pode desencadear uma série de marés ressonantes na estrela de nêutrons. Essas marés podem manter uma frequência de até 100 megahertz e transportar até 10^29 joules de energia. Para você ter uma ideia de quão grande é esse número, toda a raça humana usa apenas 10^20 joules por ano. A onda ressonante de uma única estrela de nêutrons tem mais energia do que toda a radiação do Sol por 10 mil anos.
Ao contrário das ondas do oceano, essas marés consistem em um oceano de plasma. As cargas elétricas extremas significam que as marés podem emitir rajadas intensas de radiação eletromagnética que podem aparecer para nós como rajadas de raios-X e raios gama.
Com base em seus cálculos, os pesquisadores estimaram que observatórios espaciais como o Fermi Space Gamma-ray Telescope e o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) poderiam detectar várias estrelas de nêutrons a cada ano, e que esses sinais apareceriam vários anos antes da data final. fusão.
Com este aviso, os astrônomos podem preparar seus telescópios e observatórios para estarem prontos para capturar o momento da própria fusão e mergulhar em dados de ondas eletromagnéticas e gravitacionais ainda mais valiosos.
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