Astrônomos que estudam observações de arquivo de explosões poderosas chamadas de rajadas curtas de raios gama (GRBs) detectaram padrões de luz indicando a breve existência de uma estrela de nêutrons superpesada pouco antes de ela entrar em colapso em um buraco negro. Este objeto maciço e fugaz provavelmente se formou a partir da colisão de duas estrelas de nêutrons.

“Procuramos esses sinais em 700 GRBs curtos detectados com o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA, o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray e o Observatório Compton Gamma Ray”, explicou Cecilia Chirenti, pesquisadora da Universidade de Maryland, College Park (UMCP). e o Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, que apresentou as descobertas na 241ª reunião da American Astronomical Society em Seattle. “Encontramos esses padrões de raios gama em duas explosões observadas por Compton no início dos anos 1990”.

Um artigo descrevendo os resultados, liderado por Chirenti, foi publicado na segunda-feira, 9 de janeiro, na revista científica Nature .

Uma estrela de nêutrons se forma quando o núcleo de uma estrela massiva fica sem combustível e entra em colapso. Isso produz uma onda de choque que destrói o resto da estrela em uma explosão de supernova. As estrelas de nêutrons normalmente acumulam mais massa do que o nosso Sol em uma bola do tamanho de uma cidade, mas acima de uma certa massa, elas devem colapsar em buracos negros .

Tanto os dados de Compton quanto as simulações de computador revelaram mega estrelas de nêutrons inclinando a balança em 20% a mais do que a estrela de nêutrons mais massiva e medida com precisão conhecida - apelidada de J0740 + 6620 - que pesa quase 2,1 vezes a massa do Sol. Estrelas de nêutrons superpesadas também têm quase o dobro do tamanho de uma estrela de nêutrons típica, ou cerca de duas vezes o comprimento da ilha de Manhattan.

As mega estrelas de nêutrons giram quase 78.000 vezes por minuto – quase o dobro da velocidade de J1748–2446ad, o pulsar mais rápido já registrado. Essa rotação rápida protege brevemente os objetos contra colapsos adicionais, permitindo que eles existam por apenas alguns décimos de segundo, após o que eles passam a formar um buraco negro mais rápido do que um piscar de olhos.

“Sabemos que GRBs curtos se formam quando estrelas de nêutrons em órbita colidem, e sabemos que eventualmente colapsam em um buraco negro, mas a sequência precisa de eventos não é bem compreendida”, disse Cole Miller, professor de astronomia da UMCP e co -autor do artigo. “Em algum momento, o buraco negro nascente entra em erupção com um jato de partículas em movimento rápido que emite um flash intenso de raios gama, a forma de luz de maior energia, e queremos aprender mais sobre como isso se desenvolve”.

GRBs curtos normalmente brilham por menos de dois segundos, mas liberam energia comparável à liberada por todas as estrelas em nossa galáxia ao longo de um ano. Eles podem ser detectados a mais de um bilhão de anos-luz de distância. A fusão de estrelas de nêutrons também produz ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo que podem ser detectadas por um número crescente de observatórios terrestres.

Simulações de computador dessas fusões mostram que as ondas gravitacionais exibem um salto repentino na frequência - excedendo 1.000 hertz - à medida que as estrelas de nêutrons se fundem. Esses sinais são muito rápidos e fracos para serem detectados pelos observatórios de ondas gravitacionais existentes. Mas Chirenti e sua equipe concluíram que sinais semelhantes poderiam aparecer na emissão de raios gama de GRBs curtos.

Os astrônomos chamam esses sinais de oscilações quasiperiódicas, ou QPOs, para abreviar. Ao contrário, digamos, do toque constante de um diapasão, os QPOs podem ser compostos de várias frequências próximas que variam ou se dissipam com o tempo. Ambos os QPOs de raios gama e ondas gravitacionais se originam no turbilhão de matéria em turbilhão quando as duas estrelas de nêutrons se fundem.

Embora nenhum QPO de raios gama tenha se materializado nas explosões Swift e Fermi, dois GRBs curtos registrados pelo Compton's Burst And Transient Source Experiment (BATSE) em 11 de julho de 1991 e 1º de novembro de 1993 se encaixam no projeto.

A área maior do instrumento BATSE deu a ele a vantagem de encontrar esses padrões fracos – a cintilação reveladora que revelou a presença de mega estrelas de nêutrons. A equipe classifica as chances combinadas desses sinais ocorrendo apenas por acaso em menos de 1 em 3 milhões.

"Esses resultados são muito importantes, pois preparam o terreno para medições futuras de estrelas de nêutrons hipermassivas por observatórios de ondas gravitacionais", disse Chryssa Kouveliotou, presidente do departamento de física da Universidade George Washington, em Washington, que não participou do trabalho.

Na década de 2030, os detectores de ondas gravitacionais serão sensíveis às frequências de quilohertz, fornecendo novos insights sobre as curtas vidas de estrelas de nêutrons superdimensionadas . Até então, observações sensíveis de raios gama e simulações de computador continuam sendo as únicas ferramentas disponíveis para explorá-los.

O instrumento BATSE de Compton foi desenvolvido no Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama, e forneceu a primeira evidência convincente de que explosões de raios gama ocorreram muito além de nossa galáxia. Depois de operar por quase nove anos, o Compton Gamma Ray Observatory foi retirado de órbita em 4 de junho de 2000 e destruído ao entrar na atmosfera da Terra. Goddard gerencia as missões Swift e Fermi.