Estrelas moribundas enviam ondas gravitacionais por todo o universo

As ondulações no espaço-tempo causadas pela morte de estrelas massivas em rotação podem estar dentro dos limites de detecção por projetos como… Lego E a Virgem.

Estrelas colapsadas, restos de estrelas massivas colapsadas, podem produzir imagens detectáveis Ondas gravitacionaisDe acordo com uma nova simulação, estas ondas, que têm origem no material que flui para os buracos negros, poderão fornecer informações sobre os processos internos das estrelas e dos buracos negros, embora a sua identificação continue a ser um desafio.

Ondas gravitacionais causadas por estrelas moribundas

A morte de uma estrela massiva e em rotação rápida poderia abalar o universo. As ondulações resultantes – conhecidas como ondas gravitacionais – podem ser sentidas por instrumentos na Terra, de acordo com uma nova pesquisa publicada em 22 de agosto no Astronomical Journal. o Cartas de diários astrofísicosOs cientistas que conduzem a pesquisa esperam que essas novas fontes de ondas gravitacionais ainda estejam aguardando serem descobertas.

As ondas gravitacionais surgem após a morte violenta de estrelas em rotação rápida com 15 a 20 vezes a massa do Sol. Quando ficam sem combustível, estas estrelas explodem e depois explodem, num evento conhecido como colapso estelar. Isso foi deixado para trás Buraco negro Ele é cercado por um grande disco de restos de material que gira rapidamente na boca do buraco negro. A rotação da matéria – que dura apenas alguns minutos – é tão grande que distorce o espaço ao seu redor, criando ondas gravitacionais que viajam pelo universo.

Simulação mostrando a distribuição da matéria em torno de um buraco negro recém-nascido após um colapso estelar. Cores mais quentes indicam maior densidade do material. Direitos autorais: Ore Gottlieb

Simulação de detecção de ondas gravitacionais

Usando simulações sofisticadas, os cientistas determinaram que essas ondas gravitacionais poderiam ser detectadas usando instrumentos como o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), que fez as primeiras observações diretas de ondas gravitacionais geradas pela fusão de buracos negros em 2015. Se as ondas impulsionadas por Se o colapso for detectado, eles ajudarão os cientistas a compreender os misteriosos processos internos de colapsos e buracos negros.

“Atualmente, as únicas fontes de ondas gravitacionais que detetámos provêm da fusão de dois objetos compactos — estrelas de neutrões ou buracos negros”, diz Or Gottlieb, investigador do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, em Nova Iorque. “Uma das questões mais interessantes neste campo é: Quais são as possíveis fontes não fusíveis que poderiam produzir ondas gravitacionais que podemos detectar usando as instalações atuais? Uma das respostas mais promissoras agora são os colapsos estelares.”

Ondas gravitacionais que podem ser detectadas em estrelas em colapso

Gottlieb, juntamente com Uri Levin, professor visitante do CCA e professor da Universidade de Columbia, e Amir Levinson, professor da Universidade de Tel Aviv, simularam as condições – incluindo campos magnéticos e taxas de resfriamento – encontradas após o colapso de uma estrela massiva em rotação. Simulações mostraram que o colapso de estrelas poderia produzir ondas gravitacionais fortes o suficiente para serem visíveis a cerca de 50 milhões de anos-luz de distância. Esta distância é inferior a um décimo do alcance detectável de ondas gravitacionais mais poderosas provenientes da fusão de buracos negros ou estrelas de nêutrons, embora ainda seja mais poderosa do que qualquer evento sem fusão simulado até o momento.

Resultados inesperados em padrões de ondas gravitacionais

Gottlieb diz que os novos resultados foram uma surpresa. Os cientistas pensaram que um colapso caótico criaria uma mistura de ondas que seria difícil de distinguir entre o ruído cósmico de fundo. Imagine uma orquestra se preparando para tocar. Quando cada músico toca suas próprias notas, pode ser difícil distinguir qual melodia vem de uma única flauta ou tuba. Por outro lado, as ondas gravitacionais geradas pela fusão de dois objetos criam sinais claros e poderosos, como uma orquestra tocando junta. Isso ocorre porque quando dois objetos compactos estão prestes a se fundir, eles dançam em uma órbita estreita que cria ondas gravitacionais a cada revolução. O ritmo quase idêntico das ondas amplifica o sinal a um nível detectável. Novas simulações mostram que discos giratórios em torno de estrelas em colapso também podem emitir ondas gravitacionais que se amplificam juntas, assim como objetos compactos orbitando em fusões.

A força das ondas impulsionadas pelo colosso

“Achei que o sinal seria mais caótico porque o disco é uma distribuição contínua de gás com matéria girando em órbitas diferentes”, diz Gottlieb. “Descobrimos que as ondas gravitacionais desses discos são emitidas de forma coerente e também são bastante fortes”.

Não só o sinal esperado do colapso dos discos estelares é suficientemente forte para ser detectado pelo LIGO, mas os cálculos de Gottlieb sugerem que alguns dos eventos podem já estar presentes em conjuntos de dados existentes. Os detectores de ondas gravitacionais propostos, como o Observatório Cosmic Explorer e o Observatório Einstein, poderiam detectar dezenas deles anualmente.

Estratégias de detecção de eventos de falha

A comunidade das ondas gravitacionais já está interessada em pesquisar esses eventos, mas não é uma tarefa fácil. O novo trabalho calculou assinaturas de ondas gravitacionais para um número modesto de possíveis eventos de colapso estelar. No entanto, as estrelas abrangem uma ampla gama de padrões de massa e rotação, o que criaria diferenças nos sinais de ondas gravitacionais calculados.

“Em princípio, seria melhor executar uma simulação de um milhão de estrelas colapsadas para que possamos criar um modelo geral”, diz Gottlieb, “mas, infelizmente, tais simulações são muito caras, por isso agora temos de escolher outras estratégias”.

Os cientistas podem analisar dados históricos para ver se há algum evento semelhante aos simulados por Gottlieb. Mas dada a diversidade de estrelas, cada uma transporta um sinal potencialmente único, e é pouco provável que os cientistas encontrem uma correspondência com um dos sinais simulados. Outra estratégia é usar outros sinais de eventos de colapso próximos – como supernovas ou explosões de raios gama emitidas durante o colapso de uma estrela – e depois pesquisar os arquivos de dados para ver se alguma onda gravitacional foi detectada naquela região do céu por volta do mesmo período. tempo.

Implicações para a compreensão dos buracos negros

A deteção de ondas gravitacionais geradas pelo colapso estelar ajudaria os cientistas a compreender melhor a estrutura interna de uma estrela à medida que esta entra em colapso, e também lhes permitiria aprender sobre as propriedades dos buracos negros – dois tópicos que ainda são pouco compreendidos.

“São coisas que não conseguiríamos detectar de outra forma”, diz Gottlieb. “A única forma de estudarmos estas regiões estelares interiores que rodeiam o buraco negro é através de ondas gravitacionais”.

Referência: “Na mira do LIGO? Fortes ondas gravitacionais coerentes de discos colapsares resfriados” por Ore Gottlieb, Amir Levinson e Yuri Levin, 22 de agosto de 2024, Cartas de diários astrofísicos.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c