Uma nova simulação criada usando um supercomputador da NASA mostra como as estrelas de nêutrons são perturbadas antes de se fundirem; Suas magnetosferas, os campos magnéticos mais poderosos do universo conhecido, criam o caos.
“Pouco antes do colapso das estrelas de nêutrons, as regiões cheias de plasma ao seu redor, chamadas magnetosferas, começam a interagir fortemente”, disse Dimitrios Skiatas, pesquisador do Goddard Flight Center da NASA, em um comunicado. “Quando os campos magnéticos em fusão sofrem mudanças rápidas e dramáticas, sondamos as últimas órbitas antes da fusão e modelamos os sinais observáveis de alta energia.”
O que torna as estrelas de nêutrons tão intensas?
Quando estrelas com massa semelhante à do Sol ficam sem hidrogênio, elas precisam de combustível Fusão nuclear Em seus núcleos, seus núcleos entram em colapso e suas camadas externas incham e eventualmente são perdidas. É o que as estrelas chamam de suas vidas como combustível interestelar esfumaçado Anãs brancas.
No entanto, a situação é diferente para estrelas com cerca de 10 vezes a massa do Sol. À medida que os seus núcleos esgotados de hidrogénio entram em colapso, a massa extra cria a pressão e a temperatura necessárias para permitir que o hélio criado nestes núcleos pela fusão do hidrogénio ao longo de milhões de anos forme elementos mais pesados.
Este processo contínuo de esgotamento de combustível, colapso e regime continua até que o coração da estrela massiva esteja cheio de ferro. Quando este colapso final ocorre, as ondas de choque viajam para as camadas exteriores da estrela, onde explodem numa explosão de supernova, levando consigo a maior parte da massa da estrela.
O resultado é um remanescente estelar com cerca de 20 quilómetros de largura, cheio de material rico em neutrões com uma a duas vezes a massa do Sol. O rápido colapso deste núcleo galáctico não só cria um corpo de densidade incrível, mas também cria campos magnéticos que são 1 Quadrilhão Muitas vezes mais forte do que Magnetosfera da Terra.
Estrelas massivas são frequentemente encontradas em pares binários com uma estrela companheira e, nesses casos, quando ambas as estrelas morrem, resulta uma estrela binária de nêutrons. À medida que as duas estrelas mortas orbitam uma à outra, elas criam ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais que carregam momento angular. Isso resulta no colapso binário da estrela de nêutrons. Em outras palavras, os remanescentes interestelares se aproximam, fazendo com que emitam ondas gravitacionais de frequências mais altas, percam momento angular mais rapidamente e se fundam ainda mais rápido.
Isso termina quando as estrelas de nêutrons estão próximas o suficiente umas das outras para que sua atração gravitacional assuma o controle, levando a uma inevitável colisão e fusão. Isto causa uma explosão de radiação de alta energia chamada explosão de raios gama (GRB), o grito final das ondas gravitacionais, e envia um spray de material rico em nêutrons, permitindo que o processo crie elementos muito pesados, mas instáveis. Estes eventualmente se decompõem para formar ouro, prata e outros metais mais pesados que o ferro. A decadência cria um flash que os astrônomos chamam de quilonova.
O facto de estes eventos serem responsáveis pela formação de alguns dos nossos elementos mais preciosos e importantes, bem como de eventos cósmicos brilhantes, como GRBs e quilonovas, tem um grande viés no estudo das consequências das fusões de estrelas de neutrões.
Ao analisar mais profundamente o que acontece antes do encontro das estrelas de nêutrons, Skiadas e colegas adotaram uma abordagem diferente.
Magnetismo caótico
Para considerar os 7,7 milissegundos antes da fusão das estrelas de nêutrons, a equipe recorreu ao supercomputador Pleiades da NASA, no Centro de Pesquisa Ames da NASA, para criar 100 simulações de um sistema de duas estrelas de nêutrons, cada uma com 1,4 vezes a massa do Sol.
“Nas nossas simulações, a magnetosfera comporta-se como um circuito magnético que se reorienta em torno das estrelas. As linhas de campo fundem-se, quebram-se e recombinam-se à medida que as correntes sobem através do plasma, e os campos que variam rapidamente podem acelerar as partículas,” disse um membro da equipa NA Standardard. “Por que precisamos de supercomputadores para acompanhar essa evolução não linear em resolução mais alta!”
O principal objetivo da equipe era investigar como os campos magnéticos desses remanescentes estelares afetavam a luz, ou radiação eletromagnética em termos técnicos, durante as órbitas finais das estrelas de nêutrons.
“Nosso trabalho mostra que a luz emitida por esses sistemas varia muito em brilho e não é distribuída uniformemente, portanto, a perspectiva de um observador distante sobre a conexão é crítica”, acrescentou Zoravar Wadiasingh, membro da equipe da Universidade de Maryland, College Park e NASA Goddard, no relatório. “Os sinais também ficam mais fortes à medida que as estrelas se aproximam cada vez mais, dependendo das orientações magnéticas relativas das estrelas de neutrões.”
As simulações revelaram que os respectivos campos magnéticos das estrelas de neutrões giram um atrás do outro à medida que orbitam entre si, fundindo os remanescentes estelares, depois separando-se e fundindo-se novamente.
Os pesquisadores conseguiram usar as Plêiades para simular como as forças eletromagnéticas afetam a superfície das estrelas de nêutrons. O objetivo é determinar como a pressão magnética aumenta em tais sistemas, mas serão necessários modelos futuros para determinar como a interferência magnética desempenha um papel nos momentos finais das fusões de estrelas de nêutrons.
“Tal comportamento pode estar incorporado em sinais de ondas gravitacionais detectáveis em instalações de próxima geração”, disse Demóstenes Casanas, membro da equipe e pesquisador do Goddard da NASA, no comunicado. “Um valor de estudos como este é que nos ajudam a descobrir o que os futuros observatórios podem e devem procurar tanto nas ondas gravitacionais como na luz.”
Os pesquisadores conseguiram usar campos magnéticos simulados para identificar os pontos onde as emissões de alta energia foram geradas e como essas emissões se propagaram pelo ambiente da fusão das estrelas de nêutrons.
Os investigadores descobriram que as regiões em torno das fusões de estrelas de neutrões produzem raios gama de alta energia, mas esta radiação não consegue escapar. Porque os fótons dos raios gama, partículas individuais de luz, foram rapidamente convertidos em pares de elétrons e pósitrons. No entanto, os raios gama de baixa energia, juntamente com a radiação de baixa energia, como os raios X, conseguiram escapar da fusão de estrelas de nêutrons.
O projeto Laser Interferometer Space Antenna (LISA) da NASA/Agência Espacial Europeia é particularmente útil neste sentido. Lançado em meados da década de 2030, o LISA é um detector de ondas gravitacionais baseado no espaço que se beneficiará de maior sensibilidade do que a geração atual de detectores baseados na Terra, incluindo o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO). Os resultados do conselho foram divulgados em 20 de novembro de 2025. O Jornal Astrofísico.
