Em 29 de maio de 2023, uma ocorrência astronômica significativa ocorreu quando o detector LIGO Livingston registrou um sinal enigmático chamado GW230529, que se acredita ter emanado da fusão de uma estrela de nêutrons com uma entidade compacta não identificada, provavelmente um buraco negro de massa notavelmente baixa em comparação com a norma, estimada em apenas algumas vezes a massa do nosso sol. Esse objeto peculiar ocupa uma posição distinta conhecida como “lacuna de massa inferior”, situada entre as estrelas de nêutrons mais massivas e os buracos negros menos massivos.
A contribuição inestimável dos pesquisadores afiliados ao Instituto Max Planck de Física Gravitacional para essa descoberta envolveu o desenvolvimento de modelos precisos de formas de onda, técnicas inovadoras de análise de dados e tecnologias avançadas de detectores. Vale ressaltar que a detecção desse evento específico foi possível apenas por meio da detecção de ondas gravitacionais, um desenvolvimento que aumenta a expectativa de fenômenos semelhantes serem observáveis por meio de ondas eletromagnéticas na próxima era da exploração científica.
Ao longo de aproximadamente três décadas, a comunidade científica se envolveu em um extenso discurso sobre a existência de um limite de massa que separa as estrelas de nêutrons mais massivas dos buracos negros menos massivos. Posteriormente, em uma revelação inovadora, os cientistas identificaram uma entidade cuja massa se alinha perfeitamente com essa demarcação, uma região anteriormente considerada vazia de corpos astronômicos significativos. Alessandra Buonanno, a estimada diretora do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, situado no Parque Científico de Potsdam, comentou: “Estes são tempos incrivelmente estimulantes para a pesquisa de ondas gravitacionais, à medida que mergulhamos em territórios desconhecidos que têm o potencial de revolucionar nossa compreensão teórica dos fenômenos celestes governados pelas forças gravitacionais”.
De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, espera-se que as estrelas de nêutrons possuam uma massa não superior a três vezes a do nosso Sol; no entanto, o limite preciso além do qual uma estrela de nêutrons colapsa em um buraco negro permanece um enigma. Buonanno explica ainda: “Considerando os insights das observações eletromagnéticas e nosso conhecimento existente da evolução estelar, a presença de buracos negros ou estrelas de nêutrons na faixa de massa de três a cinco massas solares foi projetada como escassa. No entanto, a massa de uma das entidades recentemente descobertas se encaixa impecavelmente dentro dessa faixa designada.”
Investigações astronômicas recentes trouxeram à luz várias entidades cujas massas potencialmente caem dentro dessa lacuna de massa indescritível. Por exemplo, no caso do GW190814, tanto o LIGO quanto o Virgo identificaram um objeto posicionado na extremidade inferior do espectro de massa. No entanto, a entidade compacta identificada através do sinal de onda gravitacional GW230529 representa um momento decisivo, pois sua massa cai inequivocamente dentro dos limites dessa lacuna enigmática. O início de uma nova fase de observação equipada com detectores aprimorados e metodologias de busca refinadas ocorreu após a excepcionalmente frutífera terceira série de observação dos detectores de ondas gravitacionais culminar na primavera de 2020, elevando a contagem de fenômenos de ondas gravitacionais documentados para 90. Antes da inauguração da quarta corrida de observação em 24 de maio de 2023, os pesquisadores realizaram uma série de aprimoramentos para aumentar os níveis de sensibilidade dos detectores.
Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) em Hannover, em colaboração com colegas do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), fizeram melhorias significativas nas fontes de laser utilizadas nos detectores LIGO situados no núcleo desses instrumentos inovadores. Essas informações foram articuladas por Karsten Danzmann, que atua como diretor do Instituto Albert Einstein e também ocupa o cargo de diretor do Instituto de Física Gravitacional da Universidade Leibniz de Hannover. As fontes de laser agora oferecem feixes de laser excepcionalmente precisos com uma potência de saída notável de até 125 watts, mantendo características consistentes em escalas de tempo extremamente curtas e significativamente estendidas. Benno Willke, que lidera o grupo de desenvolvimento de laser no Instituto Albert Einstein de Hannover, detalha ainda mais os avanços ao destacar a notável confiabilidade e o desempenho dos novos amplificadores a laser de estado sólido, expressando forte confiança em sua utilização contínua durante os próximos esforços de atualização do detector.
Além dos aprimoramentos de hardware, a recente campanha de observação aproveitou uma infraestrutura de código de forma de onda altamente eficiente, facilitando melhorias notáveis na precisão, velocidade e exatidão física dos modelos de forma de onda cultivados no Instituto Albert Einstein de Potsdam. Esses avanços permitiram a extração de propriedades essenciais dos buracos negros em um período de tempo significativamente reduzido.
Um momento crucial ocorreu apenas cinco dias após o início da quarta corrida de observação, quando um evento importante ocorreu em 29 de maio de 2023. O detector LIGO Livingston detectou com sucesso uma onda gravitacional, rapidamente identificada e disseminada como o sinal candidato “S230529ay”. A “análise on-line” em tempo real desse evento revelou uma provável fusão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro transpirando a aproximadamente 650 milhões de anos-luz de distância do nosso planeta. No entanto, devido ao detector de ondas gravitacionais operacional singular no momento da ocorrência, a localização precisa da fusão permanece indeterminável, pois a origem direcional das ondas gravitacionais não pôde ser determinada.
Exames completos foram conduzidos pelos pesquisadores para validar a origem extraterrestre do sinal detectado, garantindo sua distinção dos distúrbios locais dentro do detector LIGO Livingston. Frank Ohme, que lidera um grupo de pesquisa no Instituto Albert Einstein de Hannover, elucida o escrutínio meticuloso aplicado, com foco em discernir sinais genuínos de variações de ruído de fundo e perturbações sutis. A distinção do sinal GW230529 foi estabelecida inequivocamente por meio de sua detecção consistente em várias metodologias de busca independentes, afirmando inequivocamente sua proveniência astrofísica.
Além disso, os pesquisadores aproveitaram o evento GW230529 para avaliar a validade da teoria geral da relatividade de Einstein. Elise Sänger, doutoranda afiliada ao Instituto Albert Einstein de Potsdam e ativamente envolvida na exploração, ressalta o alinhamento entre o GW230529 e as previsões teóricas postuladas por Einstein. Este evento forneceu algumas das restrições mais rigorosas até o momento sobre teorias gravitacionais alternativas por meio da análise de eventos de ondas gravitacionais no Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e na Virgo Collaboration (LVK).
Para determinar as características dos corpos celestes girando em torno uns dos outros e se combinando em um, resultando na emissão de um sinal de onda gravitacional, os astrônomos realizaram uma comparação entre os dados obtidos do detector LIGO Livingston e dois modelos de formas de onda de ponta. De acordo com Héctor Estellés Estrella, pesquisador de pós-doutorado afiliado à equipe do Instituto Albert Einstein de Potsdam responsável pelo desenvolvimento de um dos modelos, esses modelos abrangem uma variedade de efeitos relativísticos para garantir que o modelo de sinal resultante seja extremamente realista e abrangente, facilitando assim seu alinhamento com dados observacionais. Além disso, Lorenzo Pompili, estudante de doutorado do Instituto Albert Einstein de Potsdam envolvido na construção do modelo, destaca que, entre suas várias capacidades, seu modelo de forma de onda é capaz de descrever com precisão cenários em que buracos negros estão em um estado de movimento giratório dentro da estrutura do espaço-tempo a velocidades que constituem uma fração da velocidade da luz, consequentemente emitindo radiação gravitacional em vários harmônicos.
A criação do GW230529 surgiu através da fusão de uma entidade compacta pesando entre 1,3 a 2,1 vezes a massa do nosso Sol com outra entidade compacta com uma massa de 2,6 a 4,7 massas solares. Apenas com base na análise dos dados de ondas gravitacionais, permanece indeterminado se essas entidades compactas são estrelas de nêutrons ou buracos negros. No entanto, com base na fusão de todos os atributos conhecidos do sistema binário, os astrônomos postulam que a entidade menos massiva é uma estrela de nêutrons, enquanto a mais massiva é um buraco negro. Notavelmente, a massa do objeto mais pesado ocupa com segurança a lacuna de massa, uma região que antes se acreditava ser predominantemente despovoada, já que nenhum dos candidatos propostos anteriormente dentro dessa faixa de massa foi definitivamente identificado.
Entre todos os casos de fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros observados até agora, GW230529 se destaca como o evento em que as massas das duas entidades exibem a menor disparidade. Tim Dietrich, professor da Universidade de Potsdam e chefe de um grupo de bolsistas Max Planck no Instituto Albert Einstein, elucida que em cenários em que o buraco negro supera significativamente a estrela de nêutrons, nenhum material permanece fora do buraco negro após a fusão, levando à ausência de qualquer emissão de radiação eletromagnética. Por outro lado, buracos negros mais leves possuem a capacidade de desmantelar a estrela de nêutrons devido às suas forças de maré elevadas, expelindo matéria que pode brilhar como uma quilonova ou uma explosão de raios gama.
A detecção de um sistema tão extraordinário nas proximidades do início da quarta corrida observacional também sugere a probabilidade de encontrar sinais adicionais de natureza semelhante no futuro. Por meio de cálculos meticulosos, os pesquisadores determinaram a frequência com que esses pares binários convergem, estabelecendo que essas ocorrências ocorrem a uma taxa pelo menos equivalente às fusões previamente documentadas envolvendo estrelas de nêutrons e buracos negros mais massivos. Consequentemente, prevê-se que manifestações de resplendor no espectro eletromagnético sejam observadas com maior regularidade do que o previsto anteriormente.
Os cientistas estão limitados a formular uma hipótese fundamentada sobre a formação de objetos compactos mais pesados, potencialmente um buraco negro leve, dentro do sistema binário que emite GW230529. A massa desse objeto torna improvável que tenha se originado diretamente de um evento de supernova. Um cenário plausível, mas improvável, sugere sua formação durante uma supernova, onde o material expelido durante a explosão volta a colapsar, contribuindo para o crescimento do buraco negro nascente. A probabilidade de o buraco negro ter resultado da fusão de duas estrelas de nêutrons diminui ainda mais. Embora a origem de um buraco negro primordial nos estágios iniciais do universo continue sendo uma possibilidade, ela é considerada improvável. Em última análise, os pesquisadores não podem descartar definitivamente a chance de que o objeto mais pesado não seja um buraco negro leve, mas sim uma estrela de nêutrons excepcionalmente massiva.
Na fase inicial da quarta corrida de observação, um total de 81 candidatos a sinais notáveis foram reconhecidos. Entre eles, o GW230529 se destaca como o primeiro a passar por um exame minucioso e posterior publicação. Após um hiato na calibração do sistema que durou várias semanas e uma avaliação de engenharia subsequente, o último segmento de O4 está programado para começar em 10 de abril. A próxima etapa testemunhará o envolvimento ativo de ambos os detectores LIGO, junto com o Virgo e o GEO600.
Em meio à campanha observacional em andamento, os cientistas estão empenhados em examinar os dados adquiridos durante o O4a, avaliando meticulosamente os 80 contendores de sinal notáveis restantes já identificados. Os aprimoramentos previstos na sensibilidade do detector após a interrupção estão prontos para refinar a coleta de dados. À medida que a quarta série de observações chega ao fim em fevereiro de 2025, espera-se um influxo proporcional de novos candidatos, impulsionando a contagem cumulativa de detecções de ondas gravitacionais além da marca de 200.
Fonte:
https://www.mpg.de/21778967/0404-grav-mysterious-object-in-the-gap-152520-x
