Ivan Markin, Tim Dietrich, Harald Paul Pfeiffer, Alessandra Buonanno
Coalescência e fusão de um buraco negro de massa baixa (superfície cinzenta escura) com uma estrela de neutrões (fortemente deformada pela gravidade do buraco negro).
Em 2023, pouco depois do início da quarta série de observações LIGO-Virgo-KAGRA, o detetor LIGO observou um sinal de ondas gravitacionais resultante da colisão do que é muito provavelmente uma estrela de neutrões com um objeto compacto que tem 2,5 a 4,5 vezes a massa do nosso Sol.
As estrelas de neutrões e os buracos negros são ambos objetos compactos, os remanescentes densos de explosões estelares massivas.
O que torna este sinal, chamado GW230529, intrigante é a massa do objeto mais pesado. Está dentro de um possível intervalo de massa entre as estrelas de neutrões mais pesadas conhecidas e os buracos negros mais leves.
O sinal de ondas gravitacionais, por si só, não permite revelar a natureza deste objeto. Futuras deteções de eventos semelhantes, especialmente os acompanhados por explosões de radiação eletromagnética, poderão ser a chave para resolver este mistério cósmico.
“Esta deteção, o primeiro dos nossos excitantes resultados da quarta série de observações LIGO-Virgo-KAGRA, revela que pode haver uma taxa mais elevada de colisões semelhantes entre estrelas de neutrões e buracos negros de baixa massa do que pensávamos anteriormente”, diz a Jess McIver, professora assistente na Universidade da Colúmbia Britânica e porta-voz adjunta da Colaboração Científica LIGO.
A lacuna de massa
Antes da deteção de ondas gravitacionais, em 2015, as massas dos buracos negros de massa estelar eram determinadas principalmente através de observações de raios X, enquanto as massas das estrelas de neutrões eram determinadas através de observações de rádio.
As medições resultantes dividiam-se em dois intervalos distintos, com uma diferença entre eles de cerca de 2 a 5 vezes a massa do nosso Sol. Ao longo dos anos, um pequeno número de medições tem-se aproximado deste intervalo de massa, que continua a ser altamente debatido entre os astrofísicos.
A análise do sinal mostra que este provém da fusão de dois objetos compactos, um com uma massa entre 1,2 e 2,0 vezes a do nosso Sol e o outro com um pouco mais do dobro da massa.
Embora o sinal das ondas gravitacionais não forneça informação suficiente para determinar com certeza se estes objetos compactos são estrelas de neutrões ou buracos negros, parece provável que o objeto mais leve seja uma estrela de neutrões e o objeto mais massivo um buraco negro.
Os cientistas da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA estão confiantes de que o objeto mais massivo está dentro da lacuna de massa.
As observações de ondas gravitacionais já forneceram quase 200 medições das massas de objetos compactos.
“Embora tenham sido relatadas evidências anteriores de objetos no intervalo de massa, tanto em ondas gravitacionais como eletromagnéticas, este sistema é especialmente excitante porque é a primeira deteção de ondas gravitacionais de um objeto na lacuna de massa emparelhado com uma estrela de neutrões”, diz Sylvia Biscoveanu, investigadora da Universidade Northwestern.
“A observação deste sistema tem implicações importantes tanto para as teorias da evolução dos binários como para os homólogos eletromagnéticos das fusões de objetos compactos”, acrescenta a astrónoma.
A quarta série de observações
A terceira série de observações dos detetores de ondas gravitacionais, muito bem-sucedida, terminou na primavera de 2020, elevando para 90 o número de deteções de ondas gravitacionais conhecidas.
Antes do início da quarta série de observação, O4, a 24 de maio de 2023, os investigadores do LIGO-Virgo-KAGRA introduziram melhorias nos detetores, na ciberinfraestrutura e no software de análise que lhes permitem detetar sinais de mais longe e extrair mais informações sobre os eventos extremos em que as ondas são geradas.
Apenas cinco dias após o lançamento da campanha O4, as coisas tornaram-se realmente emocionantes. No dia 29 de maio de 2023, o sinal de ondas gravitacionais GW230529 passou pelo detetor LIGO em Livingston.
Em poucos minutos, os dados do detetor foram analisados e foi emitido um alerta (designado S230529ay) anunciando publicamente o sinal.
Os astrónomos que receberam o alerta foram informados de que uma estrela de neutrões e um buraco negro se fundiram muito provavelmente a cerca de 650 milhões de anos-luz da Terra.
Infelizmente, a direção da fonte não pôde ser determinada porque apenas um detetor de ondas gravitacionais estava a observar na altura do sinal.
A quarta série de observações está planeada para durar 20 meses, incluindo uma pausa de dois meses para realizar a manutenção dos detetores e para fazer uma série de melhorias necessárias.
Até 16 de janeiro de 2024, quando começou a pausa de comissionamento, tinham sido identificados um total de 81 candidatos a sinais significativos. GW230529 é o primeiro destes a ser publicado após uma investigação pormenorizada.
Continuando a série de observações
A quarta série de observações foi retomada no passado dia 10 de abril de 2024 com os detetores LIGO em Hanford, LIGO em Livingston e Virgo a funcionar em conjunto. A série continuará até fevereiro de 2025, sem mais pausas planeadas na observação.
Os detetores deverão ter ficado ligeiramente mais sensíveis após a pausa que terminou há poucos dias.
Enquanto a observação prossegue, os investigadores do LIGO-Virgo-KAGRA estão a analisar os dados da primeira metade da campanha e a verificar os restantes 80 candidatos a sinais significativos que já foram identificados.
No final da quarta série de observações, em fevereiro de 2025, o número total de sinais de ondas gravitacionais observados deverá ultrapassar os 200.
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