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Fusões desiguais de estrelas de nêutrons criam estrondo único em simulações
As massas das duas estrelas de nêutrons em colisão são diferentes o suficiente, a companheira maior rasga a menor. Isso causa uma fusão mais lenta que permite que um
Por Gail McCormick - 03/08/2020


Através de uma série de simulações, uma equipe internacional de pesquisadores determinou que algumas fusões de estrelas de nêutrons produzem radiação que deve ser detectável da Terra. Quando as estrelas de nêutrons de massa desigual se fundem, a estrela menor é arrancada pelas forças da maré de seu companheiro maciço (à esquerda).
A maior parte da massa do parceiro menor cai sobre a estrela massiva, causando o colapso e a formação de um buraco negro (meio). Mas parte do material é ejetada no espaço; o resto recua para formar um enorme disco de acreção ao redor do buraco negro (à direita). Crédito da figura: Adaptado da figura 4 em "Formação imediata de buraco negro induzido pela acreção em fusões assimétricas de estrelas de nêutrons, sinais dinâmicos de ejetos e kilonova". Crédito: Bernuzzi et al., Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

Quando duas estrelas de nêutrons se chocam, o resultado às vezes é um buraco negro que engole tudo, exceto as evidências gravitacionais da colisão. No entanto, em uma série de simulações, uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo um cientista da Penn State, determinou que essas colisões normalmente silenciosas - pelo menos em termos de radiação que podemos detectar na Terra - às vezes podem ser muito mais barulhentas.

"Quando duas estrelas de nêutrons incrivelmente densas e colapsadas se combinam para formar um buraco negro, fortes ondas gravitacionais emergem do impacto", disse David Radice, professor assistente de física e astronomia e astrofísica da Penn State e membro da equipe de pesquisa. "Agora podemos captar essas ondas usando detectores como LIGO nos Estados Unidos e Virgo na Itália. Um buraco negro tipicamente engole qualquer outra radiação que possa ter surgido da fusão que poderíamos detectar na Terra, mas através de nossa simulações, descobrimos que esse nem sempre é o caso ".

A equipe de pesquisa descobriu que, quando as massas das duas estrelas de nêutrons em colisão são diferentes o suficiente, a companheira maior rasga a menor. Isso causa uma fusão mais lenta que permite que um "estrondo" eletromagnético escape. Os astrônomos devem ser capazes de detectar esse sinal eletromagnético, e as simulações fornecem assinaturas dessas colisões barulhentas que os astrônomos poderiam procurar na Terra.

"Para entendê-los, temos que simular muitos modelos possíveis para ver quais são compatíveis com observações astronômicas. Uma única simulação de um modelo não nos diria muito; precisamos realizar um grande número de simulações bastante computacionalmente intensivas. precisam de uma combinação de alta capacidade e alta capacidade que somente máquinas como a Bridges podem oferecer. Esse trabalho não seria possível sem o acesso a esses recursos nacionais de supercomputação ".


A equipe de pesquisa, que inclui membros da colaboração internacional CoRe (Computational Relativity), descreve suas descobertas em um artigo publicado on-line no mensais da Royal Astronomical Society .

"Recentemente, a LIGO anunciou a descoberta de um evento de fusão no qual as duas estrelas têm massas possivelmente muito diferentes", disse Radice. "A principal consequência nesse cenário é que esperamos essa contrapartida eletromagnética muito característica do sinal da onda gravitacional."

Depois de relatar a primeira detecção de uma fusão de estrelas de nêutrons em 2017, em 2019, a equipe do LIGO relatou a segunda, que eles chamaram de GW190425. O resultado da colisão de 2017 foi sobre o que os astrônomos esperavam, com uma massa total de cerca de 2,7 vezes a massa do nosso sol e cada uma das duas estrelas de nêutrons aproximadamente iguais em massa. Mas o GW190425 era muito mais pesado, com uma massa combinada de cerca de 3,5 massas solares e a proporção dos dois participantes mais desiguais - possivelmente tão alta quanto 2 para 1.

"Embora uma diferença de 2 para 1 na massa possa não parecer uma grande diferença, apenas uma pequena faixa de massas é possível para estrelas de nêutrons", disse Radice.

As estrelas de nêutrons podem existir apenas em uma faixa estreita de massas entre cerca de 1,2 e 3 vezes a massa do nosso sol. Remanescentes estelares mais leves não colapsam para formar estrelas de nêutrons e formam anãs brancas, enquanto objetos mais pesados ​​colapsam diretamente para formar buracos negros . Quando a diferença entre as estrelas em fusão é tão grande quanto em GW190425, os cientistas suspeitam que a fusão possa ser mais confusa - e mais alta em radiação eletromagnética. Os astrônomos não haviam detectado esse sinal na localização de GW190425, mas a cobertura daquela área do céu por telescópios convencionais naquele dia não era boa o suficiente para descartá-lo.
 
Para entender o fenômeno de colisão de estrelas de nêutrons desiguais e para prever assinaturas de colisões que os astrônomos poderiam procurar, a equipe de pesquisa realizou uma série de simulações usando a plataforma Bridges do Pittsburgh Supercomputing Center e a plataforma Comet do San Diego Supercomputer Center - ambas na National Rede XSEDE da Science Foundation de centros e computadores de supercomputação - e outros supercomputadores.

Os pesquisadores descobriram que, como as duas estrelas simuladas de nêutrons espiralavam uma em direção à outra, a gravidade da estrela maior despedaçou seu parceiro. Isso significava que a estrela menor de nêutrons não atingiu seu companheiro mais maciço de uma só vez. O despejo inicial da matéria da estrela menor transformou a maior em um buraco negro. Mas o restante de sua matéria estava muito longe para o buraco negro capturar imediatamente. Em vez disso, a chuva mais lenta da matéria no buraco negro criou um flash de radiação eletromagnética.

A equipe de pesquisa espera que a assinatura simulada que eles encontraram possa ajudar os astrônomos usando uma combinação de detectores de ondas gravitacionais e telescópios convencionais a detectar os sinais emparelhados que anunciam o rompimento de uma estrela menor de nêutrons que se funde com uma maior.

As simulações exigiram uma combinação incomum de velocidade de computação, grandes quantidades de memória e flexibilidade na movimentação de dados entre memória e computação. A equipe usou cerca de 500 núcleos de computação, executando semanas a fio, em cerca de 20 instâncias separadas. As muitas quantidades físicas que precisavam ser contabilizadas em cada cálculo exigiam cerca de 100 vezes mais memória que uma simulação astrofísica típica.

"Há muita incerteza em torno das propriedades das estrelas de nêutrons ", disse Radice. "Para entendê-los, temos que simular muitos modelos possíveis para ver quais são compatíveis com observações astronômicas. Uma única simulação de um modelo não nos diria muito; precisamos realizar um grande número de simulações bastante computacionalmente intensivas. precisam de uma combinação de alta capacidade e alta capacidade que somente máquinas como a Bridges podem oferecer. Esse trabalho não seria possível sem o acesso a esses recursos nacionais de supercomputação ".

 

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