Pesquisadores da Northwestern University desenvolveram simulações mostrando que longas explosões de raios gama, anteriormente consideradas exclusivas de colapsos estelares massivos, também podem ocorrer a partir de fusões de estrelas de nêutrons. Esta revelação fornece uma compreensão mais profunda da física dos buracos negros e desafia as teorias astrofísicas existentes. Crédito: SciTechDaily.com
A primeira simulação numérica em grande escala da fusão entre buraco negro e estrela de nêutrons corresponde a observações intrigantes.
Em 2022, cientistas da Northwestern University apresentaram novos dados observacionais indicando que longas explosões de raios gama (GRBs) podem ter origem na colisão de uma estrela de nêutrons com outro corpo celeste denso, como outra estrela de nêutrons ou um buraco negro – uma descoberta que foi anteriormente considerado impossível.
Agora, outra equipa da Northwestern oferece uma explicação potencial para o que gerou a explosão de luz incrivelmente luminosa e sem precedentes.
Após desenvolver a primeira simulação numérica que acompanha a evolução do jato em um buraco negro–Estrêla de Neutróns fusão a grandes distâncias, os astrofísicos descobriram que o buraco negro pós-fusão pode lançar jatos de material da estrela de nêutrons engolida.
Mas os ingredientes principais são a massa do violento redemoinho de gás (ou disco de acreção) que rodeia o buraco negro e a força do campo magnético do disco. Em discos massivos, quando o campo magnético é forte, o buraco negro lança um jato de curta duração que é muito mais brilhante do que qualquer coisa já observada em observações. No entanto, quando o disco massivo tem um campo magnético mais fraco, o buraco negro lança um jato com a mesma luminosidade e longa duração que o misterioso GRB (apelidado de GRB211211A) avistado em 2021 e relatado em 2022.
A nova descoberta não só ajuda a explicar as origens dos GRBs longos, como também fornece informações sobre a natureza e a física dos buracos negros, os seus campos magnéticos e discos de acreção.
Simulação completa da evolução em larga escala de um jato proveniente da fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons. Crédito: Ore Gottlieb/Universidade do Noroeste
O estudo foi publicado recentemente no Jornal Astrofísico.
“Até agora, ninguém mais desenvolveu quaisquer trabalhos numéricos ou simulações que sigam consistentemente um jato desde a fusão do objeto compacto até a formação do jato e sua evolução em grande escala”, disse Ore Gottlieb da Northwestern, que co-liderou o trabalho. . “A motivação do nosso trabalho foi fazer isso pela primeira vez. E o que descobrimos coincide com as observações de GRB211211A.”
“As fusões de estrelas de nêutrons são um fenômeno multi-mensageiro cativante, que resulta em ondas gravitacionais e eletromagnéticas”, disse Danat Issa da Northwestern, que co-liderou o trabalho com Gottlieb. “No entanto, simular estes eventos representa um desafio devido às vastas separações de escala espacial e temporal envolvidas, bem como à diversa física que opera nestas escalas. Pela primeira vez, conseguimos modelar de forma abrangente toda a sequência do processo de fusão das estrelas de neutrões.”
Durante a pesquisa, Gottlieb foi CIERA Fellow no Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern; agora ele é Flatiron Research Fellow no Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute. Issa é estudante de pós-graduação no Departamento de Física e Astronomia da Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do CIERA. Issa é aconselhado pelo coautor do artigo Alexander Tchekhovskoy, professor associado de física e astronomia em Weinberg e membro do CIERA.
Quilonova curiosa
Quando os astrônomos avistaram GRB211211A pela primeira vez em dezembro de 2021, eles inicialmente presumiram que o evento de 50 segundos de duração foi gerado pelo colapso de uma estrela massiva. Mas, ao examinarem a emissão tardia do longo GRB, chamada afterglow, descobriram evidências de uma quilonova, um evento raro que só ocorre após a fusão de uma estrela de neutrões com outro objeto compacto.
A descoberta (publicada em Natureza em dezembro de 2022) derrubou a crença há muito estabelecida e aceita de que apenas as supernovas poderiam gerar GRBs longos.
“GRB 211211A reacendeu o interesse na origem de GRBs de longa duração que não estão associados a estrelas massivas, mas provavelmente originados de fusões binárias compactas”, disse Gottlieb.
Localização do GRB 211211A, circulada em vermelho, capturada usando três filtros na Wide Field Camera 3 do Hubble. Crédito: NASA, ESA, Rastinejad et al. (2022)
Da pré-fusão ao longo GRB
Para revelar ainda mais o que ocorre durante os eventos de fusão compacta, Gottlieb, Issa e seus colaboradores procuraram simular todo o processo – desde antes da fusão até o final do evento GRB, quando os jatos produtores de GRB foram desligados. Por ser um feito incrivelmente caro do ponto de vista computacional, todo o cenário nunca havia sido modelado antes. Gottlieb e Issa superaram esse desafio dividindo o cenário em duas simulações.
Primeiro, os pesquisadores fizeram uma simulação da fase pré-fusão. Em seguida, eles pegaram o resultado da primeira simulação e o inseriram na simulação pós-fusão.
“Como o espaço-tempo utilizado pelas duas simulações é diferente, este remapeamento não foi tão simples como esperávamos, mas Danat descobriu”, disse Tchekhovskoy.
“O encadeamento das duas simulações nos permitiu tornar o cálculo muito mais barato”, disse Gottlieb. “A física é muito complicada na fase de pré-fusão porque existem dois objetos. Fica muito mais simples após a pré-fusão porque existe apenas um buraco negro.”
Na simulação, os objetos compactos fundiram-se primeiro para criar um buraco negro mais massivo. A intensa gravidade do buraco negro puxou os detritos da estrela de nêutrons agora destruída em sua direção. Antes de os detritos caírem no buraco negro, alguns dos detritos primeiro giraram em torno do buraco negro como um disco de acreção. Na configuração estudada, o disco emergente era particularmente massivo, com um décimo da massa do nosso Sol. Então, quando a massa caiu do disco para o buraco negro, ela alimentou o buraco negro para lançar um jato que acelerou próximo à velocidade da luz.
As propriedades do disco são importantes
Uma surpresa surgiu quando os investigadores ajustaram a força do campo magnético do enorme disco. Enquanto um campo magnético forte resultou em uma GRB curta e incrivelmente brilhante, um campo magnético fraco gerou um jato que correspondia às observações de GRBs longos.
“Quanto mais forte for o campo magnético, menor será o seu tempo de vida”, disse Gottlieb. “Campos magnéticos fracos produzem jatos mais fracos que o buraco negro recém-formado pode sustentar por mais tempo. Um ingrediente chave aqui é o disco massivo que pode manter, juntamente com campos magnéticos fracos, um GRB consistente com as observações e comparável à luminosidade e longa duração do GRB211211A. Embora tenhamos descoberto que este sistema binário específico dá origem a um GRB longo, também esperamos que outras fusões binárias que produzem discos massivos levem a um resultado semelhante. É simplesmente uma questão de massa do disco pós-fusão.”
É claro que “longo” é relativo neste cenário. Os GRBs são divididos em duas classes. GRBs com duração inferior a dois segundos são considerados curtos. Se um GRB durar dois segundos ou mais, ele será considerado longo. Mesmo eventos tão breves ainda são excepcionalmente difíceis de modelar.
“Uma grande parte deste material do disco acaba por ser consumida pelo buraco negro, com todo o processo a durar apenas alguns segundos,” disse Issa. “Aqui reside o principal desafio: é muito difícil capturar a evolução destas fusões, utilizando simulações em supercomputadores, num período de vários segundos.”
Próximo: Neutrinos
Agora que Gottlieb e Issa modelaram de forma abrangente e bem-sucedida a sequência completa da fusão, eles estão entusiasmados em continuar a atualizar e melhorar seus modelos.
“Meus esforços atuais são direcionados para melhorar a condição física precisão das simulações”, disse Issa. “Isso envolve a incorporação do resfriamento de neutrinos, um componente vital que tem potencial para influenciar significativamente a dinâmica do processo de fusão. Além disso, a inclusão de neutrinos serve como um passo crítico para alcançar uma avaliação mais precisa da composição nuclear do material ejetado como consequência destas fusões. Através desta abordagem, o meu objetivo é fornecer uma imagem mais abrangente e precisa das fusões de estrelas de neutrões.”
Referência: “Evolução em grande escala de jatos relativísticos de segundos de duração de fusões entre buraco negro e estrela de nêutrons” por Ore Gottlieb, Danat Issa, Jonatan Jacquemin-Ide, Matthew Liska, François Foucart, Alexander Tchekhovskoy, Brian D. Metzger, Eliot Quataert, Rosalba Perna, Daniel Kasen, Matthew D. Duez, Lawrence E. Kidder, Harald P. Pfeiffer e Mark A. Scheel, 31 de agosto de 2023, O Cartas de diários astrofísicos.
DOI: 10.3847/2041-8213/aceeff
O estudo foi financiado por NASAa National Science Foundation e o Departamento de Energia dos EUA.
