Em fevereiro de 2016, cientistas da Observatório de ondas gravitacionais por interferômetro a laser (LIGO) confirmou que fez a primeira detecção de ondas gravitacionais (GWs). Esses eventos ocorrem quando objetos massivos como estrelas de nêutrons e buracos negros se fundem, enviando ondulações pelo espaço-tempo que podem ser detectadas a milhões (e até bilhões) de anos-luz de distância. Desde o primeiro evento, mais de 100 eventos GW foram confirmados pelo LIGO, o Virgem avançada colaboração e a Detector de ondas gravitacionais Kamioka (CAGRA).
Além disso, os cientistas encontraram inúmeras aplicações para a astronomia GW, desde sondar o interior de supernovas e estrelas de nêutrons até medir a taxa de expansão do Universo e aprender como ele parecia um minuto após o Big Bang. Em um estudo recenteuma equipe internacional de astrônomos propôs outra aplicação para fusões de buracos negros binários (BBH): usar as primeiras fusões no Universo para sondar a primeira geração de estrelas (População III) no Universo. Ao modelar como os eventos evoluíram, eles determinaram que tipo de sinais de GW o proposto Telescópio Einstein (ET) poderá observar nos próximos anos.
O estudo foi liderado por Boyuan Liupesquisador de pós-doutorado no Centro de Astronomia da Universidade de Heidelberg (ZAH) e um membro do ESTRUTURAS DO Cluster de Excelência programa. Ele foi acompanhado por colegas do ZAH e do Instituto de Astrofísica Teórica na Universidade de Heidelberg, o Instituto de Astronomia de Cambridgeo Instituto de Física da Inteligênciao Instituto de Astrofísica de Pariso Centro de Pesquisa Astrofísica de Lyono Instituto de Ciências Gran Sasso (GSSI), o Instituto Kavli de Cosmologiao Instituto Weinberg de Física Teóricae várias universidades.
Da Escuridão Cósmica ao Amanhecer
As estrelas da População III são as primeiras a se formarem no Universo, aproximadamente 100 a 500 milhões de anos após o Big Bang. Na época, hidrogênio e hélio eram as formas mais abundantes de matéria no Universo, levando a estrelas que eram muito massivas e tinham praticamente nenhum metal (baixa metalicidade). Essas estrelas também tiveram vida curta, durando apenas 2 a 5 milhões de anos antes de esgotarem seu combustível de hidrogênio e se tornarem supernovas. Nesse ponto, os elementos mais pesados criados em seus núcleos (lítio, carbono, oxigênio, ferro, etc.) se dispersaram por todo o cosmos, levando a estrelas da População II e I com maior conteúdo de metalicidade.
Os astrônomos e cosmólogos referem-se a este período como “Amanhecer Cósmico”, uma vez que estas primeiras estrelas e galáxias acabaram com o “Idade das Trevas Cósmica” que o precedeu. Como Liu explicou ao Universe Today por e-mail, as propriedades das estrelas Pop III eram sensíveis às condições peculiares do Universo durante o Amanhecer Cósmico, que eram muito diferentes das condições atuais. Isso inclui a presença de Haloes de Matéria Escura, que os cientistas acreditam ter sido vitais para a formação das primeiras galáxias:
“O momento da formação de estrelas Pop III reflete o ritmo da formação inicial da estrutura, o que pode nos ensinar sobre a natureza da matéria escura e da gravidade. No modelo de cosmologia padrão, a formação da estrutura cósmica é de baixo para cima, começando com pequenos halos, que então crescem por acreção e fusões para se tornarem halos maiores. Espera-se que as estrelas Pop III sejam massivas (> 10 massas solares, atingindo até 1 milhão de massas solares, enquanto as estrelas atuais têm uma massa média de ~ 0,5 massas solares). Então, muitas delas explodirão como supernovas ou se tornarão buracos negros massivos (BHs) quando ficarem sem combustível para a fusão nuclear.”
Acredita-se ainda que esses buracos negros Pop III sejam de onde os primeiros buracos negros supermassivos (SMBHs) do Universo surgiram. Como os astrônomos demonstraram, os SMBHs desempenham um papel importante na evolução das galáxias. Além de auxiliar na formação de novas estrelas e encorajar a formação de galáxias no início do Universo, eles também são responsáveis por interromper a formação de estrelas em galáxias ca. 2 a 4 bilhões de anos após o Big Bang, durante a época conhecida como “Meio-dia Cósmico”. O crescimento desses buracos negros e a radiação UV emitida pelas estrelas Pop III reionizaram o hidrogênio neutro e o hélio que permeavam o início do Universo.
Isso levou à grande transição de fase que encerrou a Era das Trevas Cósmica (aproximadamente 1 bilhão de anos após o Big Bang), permitindo que o Universo se tornasse “transparente” como é hoje. No entanto, como Liu afirmou, como esse processo começou permanece obscuro:
“De modo geral, estrelas Pop III marcam o início da evolução cósmica de um estado sem estrelas (chato) para o estado atual com fenômenos ricos (reionização, populações diversas de galáxias com diferentes massas, morfologias e composições, e quasares alimentados por BHs supermassivos em acreção). Para entender essa evolução complexa, é essencial caracterizar sua fase inicial dominada por estrelas Pop III.”
Sondando o Universo Primitivo
A confirmação das ondas gravitacionais (GW) foi revolucionária para os astrônomos, e muitas aplicações foram propostas desde então. Em particular, os cientistas estão ansiosos para estudar as GWs primordiais criadas pelo Big Bang, o que será possível com detectores de GW de próxima geração, como o Antena espacial de interferômetro laser (LISA). Como Liu explicou, os detectores de GW existentes são principalmente dedicados ao estudo de fusões de buracos negros binários (BBH). O mesmo é verdade para detectores que devem ser construídos em um futuro próximo. Disse Liu:
“A emissão de GW de um binário BH é mais forte quando eles estão mais próximos. A emissão de GW carrega energia e momento angular do sistema de tal forma que os dois BHs ficarão mais próximos ao longo do tempo e eventualmente se fundirão. Só podemos detectar o sinal de GW no estágio final, quando eles estão prestes a se fundir. O tempo necessário para atingir o estágio final é altamente sensível à separação inicial dos BHs. Basicamente, eles têm que começar próximos (por exemplo, menos de ~ 10% da distância Terra-Sol para BHs abaixo de 10 massas solares) para se fundirem dentro da idade atual do Universo para serem vistos por nós.”
A questão é: como dois buracos negros chegam tão perto um do outro que eventualmente se fundirão? Os astrônomos atualmente contam com dois “canais” evolucionários (conjuntos de processos físicos trabalhando juntos) para modelar esse processo: evolução estelar binária isolada (IBSE) e endurecimento dinâmico de aglomerados estelares nucleares (NSC-DH). Como Liu indicou, as fusões BBH resultantes têm características distintas em sua taxa de fusão e propriedades, dependendo do canal que seguem. Elas contêm informações valiosas sobre os processos físicos subjacentes.
“O conhecimento dos canais de evolução é necessário para extrair tais informações e utilizar totalmente os GWs como uma sonda para astrofísica e cosmologia”, acrescentou.
Modelagem da evolução do BBH
Para determinar como os buracos negros formam binários que eventualmente se fundirão, a equipe combinou ambos os canais em uma única estrutura teórica baseada no modelo semianalítico Ancient Stars and Local Observables by Tracing Halos (A-SLOTH). Este modelo é o primeiro código disponível publicamente que conecta a formação das primeiras estrelas e galáxias às observações. “Em geral, o A-SLOTH segue a evolução térmica e química do gás ao longo da formação, crescimento e fusões de halos de matéria escura, incluindo a formação de estrelas e o impacto das estrelas no gás (feedback estelar) na escala intermediária de galáxias/halos individuais”, disse Liu.
Eles também usaram o Evolução estelar para N-body (SEVN) para prever como binários estelares evoluem para BBHs. Eles então modelaram a órbita de cada BBH em seus respectivos halos de matéria escura e durante fusões de halo, o que lhes permitiu prever quando alguns BBHs se fundirão. Em outros casos, os BBHs viajam para o centro de suas galáxias e se tornam parte de um aglomerado estelar nuclear (NSC), onde estão sujeitos a interrupções, ejeções e endurecimento por espalhamento gravitacional. A partir disso, eles seguiram a evolução das órbitas binárias internas até o momento da fusão ou interrupção.
Observatórios de Próxima Geração
Como Lui explicou, seus resultados tiveram implicações teóricas e observacionais significativas:
“Do lado da teoria, meu trabalho mostrou que o canal de evolução binária isolado domina em altos redshifts (menos de 600 milhões de anos após o Big Bang) e a taxa de fusão é sensível à taxa de formação e estatísticas iniciais de estrelas binárias Pop III. Na verdade, a maioria (> 84%) das binárias BH, especialmente as mais massivas, são inicialmente muito amplas para se fundirem dentro da idade do Universo se evoluírem isoladamente. Mas uma fração significativa (~ 45 – 64%) delas pode se fundir por endurecimento dinâmico se caírem em NSCs. Essas previsões são úteis para a identificação e interpretação de origens de fusão em observações.”
Em termos de resultados observacionais, eles descobriram que a detecção prevista de fusões de BBH da Pop III provavelmente não será discernível por instrumentos atuais como LIGO, Advance Virgo e KAGRA, que geralmente observam fusões de BBH mais próximas da Terra.[A]Embora as fusões Pop III possam potencialmente ser responsáveis por uma fração significativa das fusões BH mais massivas detectadas até agora (com BHs acima de 50 massas solares)”, disse Liu. “É difícil aprender muito sobre estrelas e galáxias Pop III no Universo primitivo a partir dos dados existentes porque o tamanho da amostra de fusões massivas detectadas é muito pequeno.”
No entanto, detectores de próxima geração como o Telescópio Einstein serão mais eficientes na detecção dessas fontes distantes de GWs. Uma vez concluído, o ET permitirá que os astrônomos explorem o Universo através de GWs de volta à Idade das Trevas Cósmica, fornecendo informações sobre as primeiras fusões de BBH, estrelas Pop III e as primeiras SMBHs. “Meu modelo prevê que o Telescópio Einstein pode detectar até 1400 fusões de Pop III por ano, nos oferecendo estatísticas muito melhores para restringir a física relevante.”
O artigo que descreve suas descobertas recentemente apareceu online e está sendo revisado para publicação no Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
Leitura adicional: arXiv
Fonte: InfoMoney
