Simulações conduzidas por investigadores da Northwestern University mostram que longas explosões de raios gama, que anteriormente se pensava que ocorriam quando estrelas massivas colapsavam, também podem ocorrer quando estrelas de neutrões se fundem. A descoberta aprofunda a compreensão da física dos buracos negros e desafia as teorias astrofísicas existentes.
A primeira simulação numérica em grande escala de um buraco negro fundindo-se com uma estrela de nêutrons concorda com observações intrigantes.
Em 2022, cientistas da Northwestern University apresentaram novos dados observacionais sugerindo que longas explosões de raios gama (GRBs) podem ter origem na colisão de uma estrela de neutrões com outro objeto compacto, como outra estrela de neutrões ou um buraco negro – uma descoberta anteriormente considerada impossível.
Agora, outra equipa de investigação da Northwestern University forneceu uma possível explicação para esta explosão de luz incrível e sem precedentes.
Os astrofísicos conduziram a primeira simulação numérica para rastrear a evolução do jato após a fusão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons, e descobriram que o buraco negro fundido pode ejetar material da estrela de nêutrons engolida.
Mas os factores-chave são a massa do violento redemoinho de gás em torno do buraco negro, ou disco de acreção, e a força do campo magnético do disco de acreção. Em discos massivos, quando o campo magnético é forte, o buraco negro ejeta jatos de curta duração que são muito mais brilhantes do que os observados. No entanto, quando o campo magnético do disco massivo é fraco, o buraco negro ejeta jatos com o mesmo brilho e duração que o misterioso GRB descoberto em 2021 e relatado em 2022, conhecido como GRB211211A.
Esta nova descoberta não só ajuda a explicar a origem de GRBs longos, mas também fornece informações sobre a natureza e a física dos buracos negros, dos campos magnéticos dos buracos negros e dos discos de acreção.
A pesquisa foi publicada recentemente no Astrophysical Journal.
"Até agora, ninguém desenvolveu qualquer trabalho numérico ou simulações que possam acompanhar continuamente o processo desde a fusão de objetos compactos até à formação de jatos e a sua evolução em grande escala. A motivação do nosso trabalho é fazer isto pela primeira vez. E as nossas descobertas coincidem com as observações do GRB211211A," disse Ore Gottlieb da Northwestern University, que co-liderou o estudo.
"As fusões de estrelas de nêutrons são um fenômeno multimensageiro fascinante que gera ondas gravitacionais e eletromagnéticas", disse Danat Issa, da Northwestern University. "No entanto, simular estes eventos é um desafio devido às enormes separações de escala espacial e temporal envolvidas, bem como à variedade de física que opera nestas escalas. Pela primeira vez, modelámos com sucesso toda a sequência do processo de fusão da estrela de neutrões de forma abrangente."
Durante sua pesquisa, Gottlieb foi CIERA Fellow no Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern University; agora ele é Flatiron Fellow no Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute. Issa é estudante de pós-graduação no Departamento de Física e Astronomia da Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern University e membro do CIERA. Isa foi supervisionada pelo coautor do artigo Alexander Tchekhovskoy, professor associado de física e astronomia de Weinberg e membro do CIERA.
quilonova estranha
Quando os astrónomos descobriram GRB211211A pela primeira vez em dezembro de 2021, inicialmente pensaram que o evento de 50 segundos foi produzido pelo colapso de uma estrela massiva. Mas quando examinaram a emissão tardia do longo GRB, chamada afterglow, encontraram evidências de uma quilonova, um evento raro que só ocorre depois de uma estrela de neutrões se fundir com outro objeto compacto.
Esta descoberta (publicada na edição de dezembro de 2022 da Nature) derruba a visão de longa data de que apenas as supernovas podem produzir GRBs longos.
"GRB211211A reavivou o interesse na origem de GRBs de longa duração que não estão associados a estrelas massivas e provavelmente se originam de fusões binárias compactas", disse Gottlieb.
Da pré-mesclagem ao longo GRB
Para esclarecer ainda mais o processo de um evento de fusão compacto, Gottlieb, Issa e seus colaboradores tentaram simular todo o processo, desde antes da fusão até o final do evento GRB, quando o jato que criou o GRB é desligado. Por se tratar de um empreendimento incrivelmente caro do ponto de vista computacional, todo o processo nunca foi simulado antes. Gottlieb e Issa superaram essa dificuldade dividindo o cenário em duas simulações.
Primeiro, os pesquisadores realizaram simulações da fase pré-fusão. Eles então alimentaram o resultado da primeira simulação na simulação mesclada.
“Como as duas simulações usaram espaço e tempo diferentes, este remapeamento não foi tão simples como esperávamos, mas Danat descobriu”, disse Techkhovskoy.
"O encadeamento de duas simulações nos permite reduzir significativamente os custos computacionais", disse Gottlieb. "A física na fase de pré-fusão é muito complicada porque existem dois objetos. Após a pré-fusão é muito mais simples porque existe apenas um buraco negro."
Na simulação, os objetos compactos fundiram-se primeiro num buraco negro mais massivo. A poderosa gravidade do buraco negro atrai fragmentos da agora destruída estrela de nêutrons em sua direção. Antes de os detritos caírem no buraco negro, alguns dos detritos primeiro orbitam o buraco negro na forma de um disco de acreção. Entre as configurações estudadas, o disco emergente é particularmente massivo, com apenas um décimo da massa do Sol. Então, à medida que a massa cai do disco de acreção para o buraco negro, o buraco negro lança jatos que aceleram quase à velocidade da luz.
As características do disco são importantes
Uma surpresa ocorreu quando os pesquisadores ajustaram a intensidade do campo magnético do enorme disco. Os GRBs produzidos por campos magnéticos fortes têm vida curta e são surpreendentemente brilhantes, enquanto os jatos produzidos por campos magnéticos fracos são consistentes com os GRBs longos observados.
"Quanto mais forte for o campo magnético, menor será o seu tempo de vida", disse Gottlieb. "Campos magnéticos fracos produzem jatos mais fracos, e buracos negros recém-formados podem persistir por longos períodos de tempo. Um fator chave aqui é um disco massivo, que junto com um campo magnético fraco pode sustentar um GRB consistente com as observações e comparável em luminosidade e longa duração ao GRB211211A. Embora tenhamos descoberto que este sistema binário específico produziu um GRB de longa duração, também esperamos que outras fusões binárias que produzem discos massivos resultem em resultados semelhantes. É apenas uma questão de massa do discos pós-fusão."
Claro, “longo” é relativo neste caso. Os GRBs são divididos em duas categorias. GRBs com duração inferior a dois segundos são considerados curtos. Se a duração do GRB for de dois segundos ou mais, é considerado um GRB longo. Mesmo um evento tão breve ainda é incrivelmente difícil de modelar.
“A maior parte do material do disco acabará por ser engolido pelo buraco negro, e todo o processo dura apenas alguns segundos”, disse Issa. “Aí reside o principal desafio: usando simulações de supercomputadores, é difícil capturar a evolução dessas fusões em questão de segundos”.
O próximo neutrino
Agora que Gottlieb e Issa simularam totalmente a fusão com sucesso, eles estão entusiasmados para continuar atualizando e melhorando seu modelo.
"Meus esforços atuais visam melhorar a precisão física das simulações. Isso envolve a inclusão do resfriamento de neutrinos, um componente importante que tem o potencial de ter um impacto significativo na dinâmica do processo de fusão. Além disso, a inclusão de neutrinos também é um passo fundamental para avaliar com mais precisão a composição nuclear do material ejetado como resultado dessas fusões. Com esta abordagem, meu objetivo é fornecer uma imagem mais abrangente e precisa das fusões de estrelas de nêutrons, "disse Issa.
Fonte compilada: ScitechDaily