Novas simulações criadas usando supercomputadores da NASA mostram que a fusão de estrelas de nêutrons torna-se caótica mesmo antes de se colidirem. Suas magnetosferas são os campos magnéticos mais poderosos do universo conhecido e emaranham e criam o caos.
“Pouco antes do colapso das estrelas de nêutrons, as regiões altamente magnetizadas e cheias de plasma ao seu redor, chamadas de magnetosfera, começam a interagir fortemente”, disse o líder da equipe Dimitrios Skiasas, pesquisador do Goddard Flight Center da NASA, em um comunicado. “Estudamos as últimas órbitas antes da fusão, quando os campos magnéticos emaranhados sofrem mudanças rápidas e dramáticas, e simulamos sinais de alta energia potencialmente observáveis.”
O que torna Zhongxing tão extremo?
O combustível necessário para o hidrogênio quando uma estrela com aproximadamente a mesma massa do Sol fica sem hidrogênio fusão nuclear No seu núcleo, o seu núcleo entra em colapso e as suas camadas externas expandem-se e eventualmente desaparecem. Isto faz com que a estrela termine a sua vida como uma brasa estelar fumegante anã branca.
No entanto, para estrelas com cerca de 10 vezes a massa do Sol e superiores, a situação é diferente. À medida que os seus núcleos esgotados de hidrogénio entram em colapso, a massa extra cria a pressão e a temperatura necessárias para fundir o hélio produzido pela fusão do hidrogénio nestes núcleos ao longo de milhões de anos para formar elementos mais pesados.
Este processo repetitivo de esgotamento de combustível, colapso e reacendimento continua até que o centro da estrela massiva esteja cheio de ferro. Quando ocorre o colapso final, as ondas de choque viajam para as camadas externas da estrela, que são destruídas na explosão da supernova, retirando a maior parte da massa da estrela.
O resultado é um remanescente estelar com uma a duas vezes a massa do Sol, cheio de material rico em nêutrons e com cerca de 20 quilômetros de diâmetro. A rápida destruição deste núcleo estelar não só criaria objetos incrivelmente densos, mas também campos magnéticos que poderiam atingir 1 . Quadrilhões mais forte que Magnetosfera da Terra.
Estrelas massivas são frequentemente emparelhadas com uma estrela companheira, caso em que uma estrela binária de nêutrons se forma quando ambas as estrelas morrem. Quando duas estrelas mortas orbitam uma à outra, elas criam ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais, que carregam o momento angular. Isso resulta em uma compactação binária de estrela de nêutrons. Por outras palavras, os remanescentes estelares aproximam-se uns dos outros, fazendo com que emitam ondas gravitacionais a frequências mais elevadas, percam momento angular mais rapidamente e agrupem-se mais rapidamente.
Isto termina quando as estrelas de nêutrons se aproximam o suficiente umas das outras para que sua gravidade possa assumir o controle, levando a colisões e fusões inevitáveis. Isto cria uma explosão de radiação de alta energia chamada explosão de raios gama (GRB), que é o grito final das ondas gravitacionais e envia um spray de material rico em nêutrons, levando a um processo que cria elementos muito pesados, mas instáveis. Estes eventualmente se decompõem para produzir ouro, prata e outros metais mais pesados que o ferro. A decadência também produz o que os astrônomos chamam de quilonova.
O facto de estes eventos terem levado à criação de alguns dos nossos elementos mais preciosos e importantes, bem como de fenómenos cósmicos brilhantes, como explosões de raios gama e quilonovas, significa que a investigação sobre as consequências das fusões de estrelas de neutrões é fortemente tendenciosa.
Skiasas e colegas adotaram uma abordagem diferente, observando mais de perto o que acontece antes que as estrelas de nêutrons se encontrem.
magnetismo confuso
Para contabilizar os 7,7 milissegundos antes da fusão das estrelas de neutrões, a equipa recorreu ao supercomputador das Plêiades no Centro de Investigação Ames da NASA e realizou mais de 100 simulações de um sistema de duas estrelas de neutrões, cada uma com uma massa cerca de 1,4 vezes a do Sol.
“Em nossas simulações, a magnetosfera se comporta como um circuito magnético, religando-se constantemente à medida que a estrela orbita. À medida que as correntes elétricas se movem através do plasma quase à velocidade da luz, as linhas do campo magnético se conectam, desconectam e reconectam, e os campos magnéticos em rápida mudança podem acelerar as partículas”, disse o membro da equipe Konstantinos Karapotalakos, do Goddard Center da NASA, no comunicado. “Seguir a evolução não linear em alta resolução é exatamente a razão pela qual precisamos de supercomputadores!”
O principal objectivo da equipa é estudar como os campos magnéticos destes remanescentes estelares afectam a luz, ou radiação electromagnética em termos técnicos, durante as órbitas finais das estrelas de neutrões em torno umas das outras.
“Nosso estudo mostra que a luz emitida por esses sistemas varia amplamente em brilho e é distribuída de forma desigual, portanto, o quão distante os observadores veem a fusão é importante”, acrescentou Zorawar Wadiasingh, membro da equipe da Universidade de Maryland, College Park e NASA Goddard, no comunicado. “À medida que as estrelas se aproximam, o sinal fica mais forte, dependendo da orientação magnética relativa da estrela de nêutrons.”
As simulações mostram que, à medida que as estrelas de neutrões orbitam umas às outras, os seus respetivos campos magnéticos passam por trás delas, ligando os remanescentes estelares, depois separando-se e voltando a ligar-se novamente.
Os pesquisadores também conseguiram usar o aglomerado estelar das Plêiades para modelar como as forças eletromagnéticas afetam a superfície de uma estrela de nêutrons. O objetivo é determinar como a tensão magnética se acumula em tais sistemas, mas é necessária uma modelização futura para determinar como as interações magnéticas se desenrolam nos momentos finais das fusões de estrelas de neutrões.
“Esse comportamento pode ser impresso em sinais detectáveis de ondas gravitacionais em instalações de próxima geração”, disse Demosthenes Kazanas, membro da equipe e pesquisador do Goddard da NASA, no comunicado. “Um dos valores dessa pesquisa é nos ajudar a descobrir o que os futuros observatórios podem ser capazes de ver e devem procurar nas ondas gravitacionais e na luz.”
Os investigadores conseguiram utilizar campos magnéticos simulados para identificar os pontos onde foram produzidas as maiores emissões de energia e como essas emissões se propagariam no ambiente de fusões de estrelas de neutrões.
Os investigadores descobriram que a região em torno da fusão das estrelas de neutrões produz raios gama de alta energia, mas esta radiação não consegue escapar. Isso ocorre porque os fótons de raios gama (partículas únicas de luz) se transformam rapidamente em pares de elétrons e pósitrons. No entanto, radiações de energia mais baixa, como raios gama e raios X, podem escapar das fusões de estrelas de nêutrons.
O projeto NASA/ESA Laser Interferometer Space Antenna (LISA) pode ser particularmente útil neste sentido. O LISA, com lançamento previsto para meados da década de 2030, será o primeiro detector de ondas gravitacionais baseado no espaço com sensibilidade muito maior do que a atual geração de detectores terrestres, incluindo o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO). As descobertas da equipe foram publicadas em 20 de novembro de 2025 em O Jornal Astrofísico.
