Uma inovação significativa foi alcançada no campo da astrofísica. Pesquisadores desenvolveram uma simulação computacional tridimensional (3D) avançada que imita a luz emitida após a fusão de duas estrelas de nêutrons. Esta simulação produziu resultados que se alinham estreitamente com uma kilonova observada, nomeada AT2017gfo.
Luke J. Shingles, o principal autor da publicação no renomado “The Astrophysical Journal Letters”, destacou a concordância sem precedentes entre a simulação e a observação. Este alinhamento sugere que os cientistas agora têm uma compreensão ampla dos eventos que ocorrem durante e após a explosão de uma kilonova.
Recentes observações combinando ondas gravitacionais e luz visível apontaram para fusões de estrelas de nêutrons como o principal local de produção de certos elementos. Esta pesquisa foi uma colaboração entre o GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung e a Queen’s University Belfast.
A luz que observamos através de telescópios é determinada pelas interações entre elétrons, íons e fótons no material ejetado de uma fusão de estrelas de nêutrons. Estes processos complexos e a luz emitida podem ser modelados através de simulações computacionais de transferência radiativa. O que torna esta pesquisa particularmente notável é que, pela primeira vez, foi produzida uma simulação 3D que segue de forma autônoma a fusão da estrela de nêutrons, a nucleossíntese de captura de nêutrons, a energia depositada pela decadência radioativa e a transferência radiativa com dezenas de milhões de transições atômicas de elementos pesados.
A capacidade tridimensional desta simulação permite que os pesquisadores prevejam a luz observada de qualquer direção de visualização. Quando observada quase perpendicularmente ao plano orbital das duas estrelas de nêutrons, a simulação prevê uma sequência de distribuições espectrais que se assemelham notavelmente ao que foi observado para a kilonova AT2017gfo.
Shingles ressaltou a importância desta pesquisa, afirmando que ela nos ajudará a entender as origens dos elementos mais pesados que o ferro, como o platino e o ouro. Estes elementos são principalmente produzidos pelo processo de captura rápida de nêutrons em fusões de estrelas de nêutrons.
É fascinante considerar que cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro são produzidos em ambientes de temperaturas e densidades de nêutrons extremas. Estas condições são alcançadas quando duas estrelas de nêutrons se fundem. À medida que espiralam uma em direção à outra e coalescem, a explosão resultante leva à ejeção de matéria com as condições adequadas para produzir núcleos pesados ricos em nêutrons através de uma sequência de capturas de nêutrons e beta-decaimentos. Estes núcleos eventualmente decaem para a estabilidade, liberando energia que alimenta uma explosiva kilonova, uma emissão luminosa que desaparece rapidamente em cerca de uma semana.
A simulação 3D é uma maravilha da integração interdisciplinar, combinando várias áreas da física. Ela abrange desde o comportamento da matéria em altas densidades até as propriedades de núcleos pesados instáveis e interações átomo-luz de elementos pesados. No entanto, desafios ainda permanecem. Por exemplo, contabilizar a taxa na qual a distribuição espectral muda e descrever o material ejetado em momentos posteriores são áreas que exigem mais investigação.
O progresso futuro nesta área aumentará a precisão com que podemos prever e entender características nos espectros e aprofundará nosso entendimento das condições sob as quais os elementos pesados foram sintetizados. Um ingrediente fundamental para esses modelos é a obtenção de dados experimentais atômicos e nucleares de alta qualidade, como os que serão fornecidos pela instalação FAIR.
Em conclusão, esta pesquisa representa um passo significativo na compreensão das fusões de estrelas de nêutrons e kilonovas. A combinação de simulações teóricas com observações do mundo real está pavimentando o caminho para descobertas ainda mais profundas no domínio da astrofísica. A colaboração entre instituições de renome e a integração de múltiplas disciplinas da física garantem que continuaremos a elucidar os mistérios das fusões de estrelas de nêutrons e kilonovas nos próximos anos.
Fonte:
