Ewan D. Barr, Cientista do Projeto para a colaboração Transients and Pulsars with MeerKAT (TRAPUM), Instituto Max Planck de Radioastronomia; Arunima Dutta, Candidata a Doutorado no Departamento de Pesquisa em Física Fundamental em Radioastronomia, Instituto Max Planck de Radioastronomia; e Benjamin Stappers, Professor de Astrofísica, Universidade de Manchester.
Às vezes, os astrônomos se deparam com objetos no céu que não podem ser facilmente explicados. Em nossa nova pesquisa, publicada na Science, relatamos uma descoberta desse tipo, que provavelmente provocará discussões e especulações.
As estrelas de nêutrons são alguns dos objetos mais densos do universo. Tão compactas quanto um núcleo atômico, mas tão grandes quanto uma cidade, elas ultrapassam os limites da nossa compreensão da matéria extrema. Quanto mais pesada for uma estrela de nêutrons, maior será a probabilidade de ela entrar em colapso e se tornar algo ainda mais denso: um buraco negro.
Esses objetos astrofísicos são tão densos, e suas forças gravitacionais são tão fortes, que seus núcleos – quaisquer que sejam – são permanentemente ocultados do universo por horizontes de eventos: superfícies de escuridão perfeita das quais a luz não pode escapar.
Se quisermos entender a física no ponto de inflexão entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros, precisamos encontrar objetos nesse limite. Em particular, precisamos encontrar objetos para os quais possamos fazer medições precisas durante longos períodos de tempo. E foi exatamente isso que encontramos – um objeto que não é obviamente nem uma estrela de nêutrons nem um buraco negro.
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Foi quando estávamos olhando nas profundezas do aglomerado de estrelas NGC 1851 que avistamos o que parece ser um par de estrelas que oferece uma nova visão dos extremos da matéria no universo. O sistema é composto por um pulsar de milissegundos, um tipo de estrela de nêutrons que gira rapidamente e varre feixes de luz de rádio pelo cosmos enquanto gira, e um objeto maciço e oculto de natureza desconhecida.
O objeto maciço é escuro, o que significa que é invisível em todas as frequências de luz – desde o rádio até as bandas óptica, de raios X e de raios gama. Em outras circunstâncias, isso tornaria impossível estudá-lo, mas é aqui que o pulsar de milissegundos vem em nosso auxílio.
Os pulsares de milissegundos são semelhantes a relógios atômicos cósmicos. Seus giros são incrivelmente estáveis e podem ser medidos com precisão por meio da detecção do pulso de rádio regular que criam. Embora intrinsecamente estável, o giro observado muda quando o pulsar está em movimento ou quando seu sinal é afetado por um forte campo gravitacional. Ao observar essas alterações, podemos medir as propriedades dos corpos em órbita com pulsares.
Nossa equipe internacional de astrônomos tem usado o radiotelescópio MeerKAT na África do Sul para realizar essas observações do sistema, conhecido como NGC 1851E.
Isso nos permitiu detalhar com precisão as órbitas dos dois objetos, mostrando que seu ponto de maior aproximação muda com o tempo. Essas mudanças são descritas pela teoria da relatividade de Einstein e a velocidade de uma mudança nos informa sobre a massa combinada dos corpos no sistema.
Nossas observações revelaram que o sistema NGC 1851E pesa quase quatro vezes mais que o nosso Sol e que a companheira escura era, como o pulsar, um objeto compacto – muito mais denso que uma estrela normal. As estrelas de nêutrons mais maciças pesam cerca de duas massas solares, portanto, se esse fosse um sistema duplo de estrelas de nêutrons (sistemas bem conhecidos e estudados), ele teria de conter duas das estrelas de nêutrons mais pesadas já encontradas.
Para descobrir a natureza da companheira, precisaríamos entender como a massa do sistema estava distribuída entre as estrelas. Novamente usando a relatividade geral de Einstein, poderíamos modelar o sistema em detalhes, descobrindo que a massa da companheira está entre 2,09 e 2,71 vezes a massa do Sol.
A massa da companheira se enquadra na “lacuna de massa do buraco negro“, que fica entre as estrelas de nêutrons mais pesadas possíveis, que se acredita ter cerca de 2,2 massas solares, e os buracos negros mais leves que podem ser formados a partir do colapso estelar, com cerca de 5 massas solares. A natureza e a formação de objetos nessa lacuna é uma questão pendente na astrofísica.
Possíveis candidatos
Então, o que exatamente descobrimos?
Uma possibilidade atraente é que tenhamos descoberto um pulsar em órbita em torno dos restos de uma fusão (colisão) de duas estrelas de nêutrons. Essa configuração incomum é possível devido ao denso acúmulo de estrelas na NGC 1851.
Nessa pista de dança estelar lotada, as estrelas giram em torno umas das outras, trocando de parceiros em uma valsa sem fim. Se duas estrelas de nêutrons forem lançadas muito próximas umas das outras, sua dança terá um fim cataclísmico.
O buraco negro criado pela colisão, que pode ser muito mais leve do que os criados por estrelas em colapso, fica então livre para vagar pelo aglomerado até encontrar outro par de dançarinos na valsa e, de forma bastante rude, se inserir – expulsando o parceiro mais leve no processo. É esse mecanismo de colisões e trocas que poderia dar origem ao sistema que observamos hoje.
Ainda não terminamos com esse sistema. O trabalho já está em andamento para identificar de forma conclusiva a verdadeira natureza da companheira e revelar se descobrimos o buraco negro mais leve ou a estrela de nêutrons mais maciça – ou talvez nenhum dos dois.
No limite entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros, há sempre a possibilidade de que exista algum objeto astrofísico novo, ainda desconhecido.
Com certeza haverá muita especulação após essa descoberta, mas o que já está claro é que esse sistema é imensamente promissor quando se trata de entender o que realmente acontece com a matéria nos ambientes mais extremos do universo.
Este artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original aqui.
