Ondulações no espaço-tempo causadas pela morte de estrelas giratórias massivas podem estar dentro dos limites de detecção de projetos como LIGO e Virgem.
Os colapsares, os restos em colapso de estrelas massivas, podem produzir ondas gravitacionaisde acordo com novas simulações. Essas ondas, criadas por material espiralando em buracos negros, podem oferecer insights sobre o funcionamento interno de estrelas e buracos negros, embora identificá-los continue sendo um desafio.
Ondas gravitacionais de mortes de estrelas
A morte de uma estrela massiva e de rápida rotação pode abalar o universo. E as ondulações resultantes — conhecidas como ondas gravitacionais — podem ser sentidas por instrumentos na Terra, de acordo com uma nova pesquisa publicada em 22 de agosto em O Cartas de revistas astrofísicas. Essas novas fontes de ondas gravitacionais aguardam apenas serem descobertas, preveem os cientistas por trás da pesquisa.
As ondas gravitacionais surgem após as mortes violentas de estrelas de rotação rápida, de 15 a 20 vezes a massa do sol. Ao ficar sem combustível, essas estrelas implodem e depois explodem, em um evento conhecido como colapsar. Isso deixa para trás um buraco negro cercado por um grande disco de material restante que rapidamente gira para dentro da boca do buraco negro. A espiral do material — que dura apenas alguns minutos — é tão grande que distorce o espaço ao redor, criando ondas gravitacionais que viajam pelo universo.
Uma simulação mostrando a distribuição de matéria ao redor de um buraco negro recém-nascido após um evento de colapsar. Cores mais quentes denotam maiores densidades de matéria. Crédito: Ore Gottlieb
Simulando a detecção de ondas gravitacionais
Usando simulações de ponta, os cientistas determinaram que essas ondas gravitacionais poderiam ser detectáveis com instrumentos como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), que fez as primeiras observações diretas de ondas gravitacionais de buracos negros em fusão em 2015. Se detectadas, as ondas impulsionadas por colapsares ajudariam os cientistas a entender o misterioso funcionamento interno dos colapsares e buracos negros.
“Atualmente, as únicas fontes de ondas gravitacionais que detectamos vêm de uma fusão de dois objetos compactos — estrelas de nêutrons ou buracos negros”, diz o líder do estudo Ore Gottlieb, pesquisador do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute na cidade de Nova York. “Uma das questões mais interessantes no campo é: Quais são as potenciais fontes não-fusões que poderiam produzir ondas gravitacionais que podemos detectar com as instalações atuais? Uma resposta promissora agora são os colapsares.”
Ondas gravitacionais detectáveis de colapsares
Gottlieb, junto com o pesquisador visitante do CCA e professor da Columbia Yuri Levin e o professor da Universidade de Tel Aviv Amir Levinson, simularam as condições — incluindo campos magnéticos e taxas de resfriamento — encontradas após o colapso de uma estrela rotativa massiva. As simulações mostraram que os colapsares podem produzir ondas gravitacionais poderosas o suficiente para serem visíveis a cerca de 50 milhões de anos-luz de distância. Essa distância é menos de um décimo do alcance detectável das ondas gravitacionais mais poderosas de fusões de buracos negros ou estrelas de nêutrons, embora ainda seja mais forte do que qualquer evento de não fusão já simulado.
Descobertas inesperadas em padrões de ondas gravitacionais
As novas descobertas são uma surpresa, diz Gottlieb. Os cientistas pensaram que o colapso caótico criaria uma confusão de ondas que seria difícil de distinguir em meio ao ruído de fundo do universo. Pense em uma orquestra se aquecendo. Quando cada músico toca suas próprias notas, pode ser difícil distinguir a melodia vinda de uma única flauta ou tuba. Por outro lado, as ondas gravitacionais da fusão de dois objetos criam sinais claros e fortes, como uma orquestra tocando junto. Isso ocorre porque quando dois objetos compactos estão prestes a se fundir, eles dançam em uma órbita apertada que cria ondas gravitacionais a cada volta. Esse ritmo de ondas quase idênticas amplifica o sinal a um nível que pode ser detectado. As novas simulações mostraram que os discos giratórios ao redor dos colapsares também podem emitir ondas gravitacionais que se amplificam juntas, muito parecidas com os objetos compactos orbitando em fusões.
A força das ondas impulsionadas pelo colapsar
“Eu pensei que o sinal seria muito mais bagunçado porque o disco é uma distribuição contínua de gás com material girando em órbitas diferentes”, diz Gottlieb. “Descobrimos que as ondas gravitacionais desses discos são emitidas de forma coerente, e também são bem fortes.”
Não apenas o sinal previsto dos discos colapsares é forte o suficiente para ser detectado pelo LIGO, mas os cálculos de Gottlieb sugerem que alguns eventos podem já estar em conjuntos de dados existentes. Detectores de ondas gravitacionais propostos, como o Cosmic Explorer e o Telescópio Einstein, poderiam detectar dezenas por ano.
Estratégias para Detectar Eventos de Colapsar
A comunidade de ondas gravitacionais já está interessada em procurar por esses eventos, mas não é uma tarefa fácil. O novo trabalho calculou assinaturas de ondas gravitacionais para um número modesto de eventos potenciais de colapsar. As estrelas, no entanto, abrangem uma ampla gama de perfis de massa e rotação, o que criaria diferenças nos sinais de ondas gravitacionais calculados.
“Em princípio, o ideal seria simular 1 milhão de collapsars para poder criar um modelo genérico, mas, infelizmente, essas são simulações muito caras”, diz Gottlieb. “Então, por enquanto, temos que escolher outras estratégias.”
Cientistas podem olhar dados históricos para ver se algum evento é similar ao que Gottlieb simulou. Dada a variedade de estrelas, porém, cada uma com um sinal potencialmente único, encontrar uma correspondência para um dos sinais simulados é provavelmente improvável. Outra estratégia é usar outros sinais de eventos próximos de colapsar — como supernovas ou explosões de raios gama que são emitidas durante o colapso da estrela — e então pesquisar os arquivos de dados para ver se alguma onda gravitacional foi detectada naquela área do céu na mesma época.
Implicações para a compreensão dos buracos negros
A detecção de ondas gravitacionais geradas pelo colapso ajudaria os cientistas a entender melhor a estrutura interna da estrela após o colapso e também os capacitaria a aprender sobre as propriedades dos buracos negros — dois tópicos que ainda são pouco compreendidos.
“Essas são coisas que não podemos detectar de outra forma”, diz Gottlieb. “A única maneira de estudarmos essas regiões estelares internas ao redor do buraco negro é por meio de ondas gravitacionais.”
Referência: “In LIGO’s Sight? Vigorous Coherent Gravitational Waves from Cooled Collapsar Disks” por Ore Gottlieb, Amir Levinson e Yuri Levin, 22 de agosto de 2024, Cartas do Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c
