Uma nova pesquisa usando simulações de computador e dados astronômicos descobriu que algumas explosões de raios gama (GRBs) de longa duração são causadas por fusões cósmicas que formam buracos negros, desafiando teorias anteriores de que as GRBs são causadas inteiramente pelo colapso de estrelas. Esta descoberta fornece uma compreensão mais completa da origem das explosões de raios gama.
Astrofísicos do Instituto Fratillon e colegas usaram simulações computacionais de última geração para nos dar uma compreensão mais clara de como os buracos negros geram as explosões mais energéticas do universo.
Simulações computacionais de última geração combinadas com cálculos teóricos estão ajudando os astrônomos a compreender melhor as origens de alguns dos fenômenos luminosos mais energéticos e misteriosos do universo - as explosões de raios gama (GRBs). O novo modelo unificado confirma que algumas explosões de raios gama de longa duração são produzidas após fusões cósmicas que criaram buracos negros bebés rodeados por um disco gigante de matéria bruta.
Os astrónomos pensavam anteriormente que os buracos negros que criam GRBs longos normalmente se formavam quando estrelas massivas colapsam. No entanto, novos modelos mostram que também podem ser criados quando dois objetos densos se fundem, como um par de estrelas de neutrões – os restos densos e mortos de estrelas massivas – ou um buraco negro e uma estrela de neutrões. As descobertas explicam as longas GRBs recentemente observadas, que os astrónomos não conseguiram associar ao colapso estelar.
Os criadores da simulação publicaram seus resultados em 29 de novembro no The Astrophysical Journal Letters.
Simulações mostram como a fusão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons cria poderosos jatos e ventos que criam explosões de raios gama. Um novo estudo propõe uma estrutura que liga a física de tais fusões às observações de explosões de raios gama. A investigação descobriu que as fusões de objetos massivos, como buracos negros e estrelas de neutrões, podem produzir explosões de raios gama duradouras. Fonte: Ole Gottlieb
"As nossas descobertas ligam as observações à física fundamental e unificam muitas questões não respondidas no campo das explosões de raios gama," afirma Ore Gottlieb, autor principal do novo estudo e investigador do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Instituto Flatiron, na cidade de Nova Iorque. "Pela primeira vez, podemos saber o que acontece antes da formação de um buraco negro através de observações de GRBs."
GRBs são os eventos mais brilhantes e violentos do universo. As GRBs têm deslumbrado e intrigado os astrónomos desde que foram detectadas pela primeira vez em 1967. Mesmo com o passar das décadas, o mecanismo exacto que produz poderosas explosões de raios gama permanece incerto. Ao longo dos anos, os astrónomos notaram dois tipos distintos de explosões de raios gama – uma com duração inferior a um segundo e outra com duração de 10 segundos ou mais. Os investigadores determinaram finalmente que GRBs curtos se originam de jatos emitidos após a fusão de dois objetos compactos, enquanto GRBs longos podem ocorrer em jatos emitidos quando estrelas massivas em rotação entram em colapso. Mas durante o ano passado, duas observações incomuns de GRBs longos mostraram que não são apenas os gigantes em colapso que causam GRBs longos.
Gottlieb e seus colegas conduziram simulações de última geração para testar como as fusões de objetos massivos e compactos poderiam desencadear explosões de raios gama. As novas simulações levaram vários meses e foram realizadas parcialmente em um supercomputador do Instituto Fratilon. A nova simulação começa quando os dois objetos compactos estão em órbita próxima e rastreia os jatos até que se afastem do local da fusão. Essa abordagem permite que os pesquisadores façam menos suposições sobre a física envolvida. Ao combinar simulações com restrições de dados astronômicos, os cientistas construíram um modelo unificado da origem dos GRBs.
Os pesquisadores determinaram que o incomum GRB foi criado após a fusão de dois objetos compactos. A fusão cria um buraco negro rodeado por um grande disco de acreção - uma rosquinha de material magnético que gira rapidamente - que pode emitir longos GRBs. Esta informação das simulações ajuda os astrónomos a compreender não só os objetos que produzem estas explosões de raios gama, mas também o que acontece antes delas.
Simulações mostram como a fusão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons cria poderosos jatos e ventos que criam explosões de raios gama. Um novo estudo propõe uma estrutura que liga a física de tais fusões às observações de explosões de raios gama. A investigação descobriu que as fusões de objetos massivos, como buracos negros e estrelas de neutrões, podem produzir explosões de raios gama duradouras. Fonte: Ole Gottlieb
Gottlieb disse: "Se observarmos uma longa explosão de raios gama como a observada em 2022, agora sabemos que ela vem de um buraco negro com um disco massivo. Sabendo que existe um disco massivo, podemos agora calcular a razão de massa dos dois corpos progenitores, porque a sua razão de massa está relacionada com as propriedades do disco. Por exemplo, a fusão de estrelas de neutrões com massas desiguais produzirá inevitavelmente GRBs com durações mais longas."
Os cientistas esperam usar este modelo unificado para determinar quais objetos produzem GRBs curtos. O modelo sugere que estas explosões podem ser causadas por buracos negros com discos de acreção mais pequenos, ou por um tipo de objeto conhecido como estrela de neutrões supermassiva, uma forma instável de estrela que colapsa rapidamente para formar um buraco negro, mas não antes de emitir um curto pulso GRB. Os cientistas esperam que, com mais observações de GRB, possam refinar ainda mais as suas simulações para determinar a origem de todos os GRB. Embora as observações de GRB ainda sejam relativamente raras, os astrônomos pretendem capturar mais GRBs quando o Observatório Vera C Rubin iniciar as observações no início de 2025.
“À medida que fazemos mais observações de GRBs com diferentes durações de pulso, seremos mais capazes de detectar o motor central que alimenta estes eventos extremos”, disse Gottlieb.