Uma equipa de cientistas conseguiu simular em detalhe a aproximação e colisão de duas estrelas de neutrões num sistema binário, com a consequente formação de um buraco negro. A colisão parece gerar invariavelmente jactos opostos de partículas relativísticas (que viajam a velocidades próximas da luz) de curta duração.
Esta constatação é particularmente relevante pois desde há muito que se suspeita que a colisão de estrelas de neutrões em sistemas binários está na origem das chamadas erupções de raios gama de curta duração (short gamma ray bursts), detectadas desde há décadas por observatórios espaciais.
A simulação da fase final de aproximação e colisão de duas estrelas de neutrões é de extrema complexidade pois envolve a resolução numérica de equações que governam fluídos (plasma a elevadas temperaturas), campos electromagnéticos e os efeitos da gravidade (equações derivadas da Teoria da Relatividade Geral).
Os cientistas recorrem aos mais poderosos super-computadores do mundo para esta tarefa hercúlea mas ainda assim os cálculos necessários à produção de um vídeo como o que se segue mais abaixo demoram meses a completar.
Uma frame da simulação da colisão entre duas estrelas de neutrões mostrando um disco de material (amarelo), instantes antes de ser capturado pelo buraco negro resultante, e os funis formados pelas linhas do campo electromagnético, perpendiculares ao disco (linhas brancas). Parte do material do disco não cai no buraco negro e é, em vez disso, acelerado até velocidades relativísticas ao longo destes funis dando origem, provavelmente, a erupções de raios gama de curta duração.
Crédito: M. Ruiz, R. Lang, V. Paschalidis, S. Shapiro e Illinois Relativity Group: S. Connelly, C. Fan, A. Khan e P. Wongsutthikoson.
O vídeo que se segue mostra o fenómeno em detalhe (mas mostra uma escala de tempo — t/M — diferente da apresentada na descrição seguinte). A simulação começa com duas estrelas de neutrões, cada uma com 1.625 massas solares, um valor típico, cobertas de um “cabelo” de linhas de campo magnético. As estrelas estão já em trajectória de colisão devido à perda de energia orbital resultante da emissão de ondas gravitacionais. Aos 3.5 mili-segundos, as estrelas são deformadas pelas forças de maré mútuas e fundem-se numa estrela de neutrões maciça que evita o colapso gravitacional graças apenas à sua rapidíssima rotação diferencial. Alguns tempo depois, aos 21.5 mili-segundos, a rotação foi homogeneizada pelo campo magnético intenso e a energia correspondente dissipada em grande parte sob a forma de ondas gravitacionais. A estrela de neutrões perde sustentação e colapsa num buraco negro.
(Vídeo mostrando a colisão de duas estrelas de neutrões formando um buraco negro e jactos relativísticos de partículas de curta duração. Crédito: M. Ruiz, R. Lang, V. Paschalidis, S. Shapiro e Illinois Relativity Group: S. Connelly, C. Fan, A. Khan e P. Wongsutthikoson.)
Aos 51.5 mili-segundos, o material do disco de plasma formado em torno do buraco negro começa a emitir radiação intensa. Aos 62.5 mili-segundos, as linhas do campo electromagnético, amplificadas pela rotação do buraco negro recém formado e pelo disco de acreção, formam funis ao longo dos pólos. Parte do material do disco é encaminhado para estes funis e forma jactos de partículas relativísticas. Aos 64.5 mili-segundos os jactos atingem 445 quilómetros de extensão. Finalmente, o material do disco de acreção esgota-se e os jactos terminam ao fim de 100 mili-segundos.
O sinal de ondas gravitacionais emitidas pelo sistema binário de estrelas de neutrões simulado. Estes sinais poderão vir a ser detectados por experiências como o LIGO e o VIRGO.
Crédito: M. Ruiz et al. 2016
As simulações mostram que estes binários de estrelas de neutrões são capazes de formar jactos relativísticos com energias e escalas de tempo consistentes com as erupções de raios gama de curta duração. Os resultados mostram também que os jactos são produzidos independentemente das propriedades magnéticas individuais das estrelas de neutrões.
Globalmente, estes resultados reforçam a tese que liga estes sistemas binários às erupções de raios gama de curta duração.
(Fonte: AAS)
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