Estrelas de nêutrons (NS) são os núcleos colapsados de estrelas gigantes supermassivas que contêm entre 10 e 25 massas solares. Além dos buracos negros, elas são os objetos mais densos do Universo. Sua jornada de uma estrela da sequência principal para um remanescente estelar colapsado é uma história científica fascinante.
Às vezes, um par binário de NS se funde, e o que acontece então é igualmente fascinante.
Quando dois NS se fundem, um remanescente é criado, que se torna um buraco negro ou uma estrela de nêutrons, sendo o buraco negro o resultado mais comum. Mas o eventual remanescente é apenas parte da história. Há muita coisa acontecendo no ambiente extremo criado pela fusão.
As fusões de NS podem quase instantaneamente criar campos magnéticos extremamente poderosos, trilhões de vezes mais fortes que os da Terra. Elas podem criar explosões curtas de raios gama (GRBs). Elas criam quilonovas. Eles criam um ambiente tão extremo que o evasivo processo r, ou processo de captura rápida de nêutronspode ocorrer. O processo r é responsável por um grande número de isótopos de elementos estáveis mais pesados que o ferro, incluindo ouro, platina e outros metais preciosos.
Uma nova pesquisa no The Astrophysical Journal examina esse ambiente extremo para ver como as forças interativas criam um remanescente. Seu título é “Ab-initio Simulações de hidrodinâmica de radiação de neutrinos relativística geral de fusões de estrelas de nêutrons de longa duração Remanescentes para escalas de tempo de resfriamento de neutrinos.” Os autores são David Radice e Sebastiano Bernuzzi, ambos da Universidade Estadual da Pensilvânia.
Os autores dizem que este é o primeiro estudo ab-initio sobre fusões NS. Ab-initio significa “do começo” em latim. Isso significa que suas simulações são baseadas diretamente nas leis fundamentais da natureza e não incluem dados empíricos. Esses tipos de simulações exigem níveis extremamente altos de poder de computação, mas a recompensa está em seu poder preditivo. Estudos ab-initio podem revelar aspectos de sistemas complexos que são extremamente difíceis de estudar experimentalmente. Relativístico geral significa que as simulações incorporam a teoria da relatividade geral de Einstein, que é crítica para descrever a gravidade extrema perto de estrelas de nêutrons.
“Apesar de sua relevância astrofísica, a evolução dos remanescentes de fusão NS de longa duração após a fase dominada por GW de sua evolução é mal compreendida”, escrevem os autores.
Os pesquisadores simularam as fusões de um par de estrelas de nêutrons com 1,35 massas solares cada. A distância inicial entre as duas era de meros 50 km (30 mi). As simulações cobriram as últimas ~seis órbitas antes da fusão e se estenderam para mais de ~100 ms após a fusão.
“A pesquisa explorou a evolução inicial das estrelas de nêutrons, momentos depois de terem sido criadas”, escrevem os autores. “Esta pesquisa é um ponto de partida para identificar os sinais astronômicos que podem ajudar a responder perguntas sobre estrelas de nêutrons e formação de buracos negros.”
A primeira fase de uma fusão de estrelas de nêutrons, após a espiral, é a fase de onda gravitacional (GW). Ela dura até cerca de 20 milissegundos após a fusão. Ao liberar GWs, a estrela de nêutrons libera parte da energia da fusão.
A próxima fase é a fase de resfriamento de neutrinos, e é o foco deste trabalho. “Descobrimos que o resfriamento de neutrinos se torna o mecanismo de perda de energia dominante após a fase dominada por ondas gravitacionais (?20 ms pós-fusão)”, escrevem os autores.
Neutrinos são partículas elusivas que são eletricamente neutras e têm massas muito pequenas. De acordo com algumas pesquisas, cerca de 400 bilhões de neutrinos passam por cada pessoa na Terra a cada segundo. Apesar da falta de interação, os neutrinos carregam energia para longe da fusão, e seu nível de energia depende do processo que os formou. Com o tempo, essa energia decai.
Uma fusão de estrelas de nêutrons geralmente cria um buraco negro remanescente. Mas, às vezes, cria outra estrela de nêutrons chamada RMNS, ou estrela de nêutrons massiva remanescente.
“As luminosidades dos neutrinos decaem mais lentamente, então 10–20 ms após a fusão dos neutrinos, eles se tornam o mecanismo dominante através do qual a energia é perdida pelo RMNS”, escrevem os autores.
As simulações mostram que a RMNS é diferente das estrelas de protonêutrons criadas quando estrelas massivas entram em colapso.
A fusão cria um gás denso de antineutrinos de elétrons no núcleo externo do RMNS. Isso se correlaciona com pontos quentes no núcleo externo. O RMNS também é estável contra convecção, apesar da superfície ser mais quente que o núcleo. Se houvesse instabilidades convectivas, elas poderiam desencadear mais emissões de GW, mas, de acordo com os autores, as simulações não mostraram isso. “Não encontramos evidências de um renascimento do sinal de GW devido a instabilidades convectivas”, eles escrevem.
Algumas pesquisas mostram que NSs em fusão são as fontes de explosões curtas de raios gama (SGRBs). Mas para que isso aconteça, o campo magnético precisa escapar de alguma forma do remanescente e formar campos magnéticos maiores. “Se RMNSs são um motor central viável para SGRBs, então o campo precisa de alguma forma borbulhar para fora do remanescente e formar estruturas magnéticas em larga escala”, escrevem os autores. Mas a estabilidade do RMNS parece descartar isso. “No entanto, nossas simulações indicam que o RMNS é estratificado de forma estável, então ainda não está claro como os campos magnéticos podem emergir dele”, explicam os autores.
A fusão também cria um enorme disco de acreção em seu núcleo externo.
“Um disco de acreção massivo é formado pela ejeção de material espremido para fora da interface de colisão entre as duas estrelas, formando um disco massivo nos primeiros ?20 ms após a fusão”, explicam os pesquisadores. Este disco carrega uma grande parte do momento angular da fusão. Isso permite que o RMNS se estabeleça em um equilíbrio razoavelmente estável dentro de uma das várias regiões de configuração estáveis possíveis no disco.
Estrelas de nêutrons estáveis são resultados muito menos comuns de fusões do que buracos negros. Elas só ocorrem se a massa combinada estiver abaixo de uma massa estável máxima. Mas alguns detalhes de como isso aconteceu foram obscurecidos.
“Essas descobertas revelam um objeto central cercado por um anel de matéria quente em rápida rotação. Se esses remanescentes evitarem o colapso, os cientistas esperam que eles liberem a maior parte de sua energia interna em segundos após sua formação”, escrevem os autores.
Estimativas mostram que apenas 10% das fusões de estrelas de nêutrons resultam em RMNSs, então elas são comparativamente raras. Ao explorar a evolução inicial dos RMNSs, esta pesquisa estabeleceu um ponto de partida para identificar os sinais astronômicos que podem dizer mais aos cientistas sobre fusões de estrelas de nêutrons e como buracos negros são criados a partir de fusões.
Ao abrir uma nova janela para as frações de segundo que seguem uma fusão, os pesquisadores também mostraram as forças envolvidas na criação de um objeto muito raro: uma estrela de nêutrons massiva estável e remanescente.
