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Repensando as fusões de estrelas de nêutrons: estudo explora os efeitos dos campos magnéticos em suas frequências oscilantes
Fusões de estrelas de nêutrons são colisões entre estrelas de nêutrons, os núcleos colapsados ??do que antes eram estrelas supergigantes massivas. Essas fusões são conhecidas por gerar ondas gravitacionais...
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Ingrid Fadelli - 21/04/2025
Densidade de massa em repouso (painéis superiores) e velocidade angular (painéis inferiores) no plano equatorial para um análogo não magnetizado (coluna da esquerda) e magnetizado (coluna da direita), 10 ms após a fusão. As linhas brancas e pretas indicam os contornos de densidade. Duas diferenças principais entre os casos magnetizado e não magnetizado são: 1) em um dado instante, o remanescente magnetizado é mais axissimétrico (contornos equatoriais mais circulares) do que o não magnetizado; e 2) a velocidade angular no núcleo do remanescente é maior e mais uniforme no caso magnetizado do que no não magnetizado. Crédito: Tsokaros et al.
Fusões de estrelas de nêutrons são colisões entre estrelas de nêutrons, os núcleos colapsados do que antes eram estrelas supergigantes massivas. Essas fusões são conhecidas por gerar ondas gravitacionais, ondas portadoras de energia que se propagam através de um campo gravitacional, que emergem da aceleração ou perturbação de um corpo massivo.
Colisões entre estrelas de nêutrons têm sido tema de muitos estudos de física teórica, pois uma compreensão mais aprofundada desses eventos pode gerar insights interessantes sobre como a matéria se comporta em densidades extremas. O comportamento da matéria em densidades extremamente altas é atualmente descrito por uma estrutura teórica conhecida como equação de estado (EoS).
Pesquisas astrofísicas recentes exploraram a possibilidade de que características da EoS, como transições de fase ou um cruzamento quark-hádron, pudessem ser inferidas a partir do espectro de ondas gravitacionais observado após a fusão de estrelas neuronais. No entanto, a maioria desses trabalhos teóricos não considerou os efeitos dos campos magnéticos nesse espectro.
Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Valencia realizaram recentemente uma série de simulações com o objetivo de compreender melhor o impacto dos campos magnéticos nas frequências oscilantes de estrelas de nêutrons pós-fusão. O artigo, publicado na Physical Review Letters , mostra que os campos magnéticos por si só também podem resultar em mudanças de frequência , portanto, interpretar observações de fusões de estrelas de nêutrons pode ser mais desafiador do que o previsto anteriormente.
"Observatórios de ondas gravitacionais de última geração, como o Cosmic Explorer, serão capazes de detectar a fusão real de duas estrelas de nêutrons enquanto elas formam um único objeto compacto em rotação e as várias frequências de oscilações associadas ao processo de fusão", disse Antonios Tsokaros, principal autor do artigo, ao Phys.org.
Essas frequências codificam muitas das características das estrelas de nêutrons. Portanto, identificá-las corretamente nos permitirá entender muitas das propriedades ainda desconhecidas desses objetos extraordinários.
Estrelas de nêutrons têm duas características principais que ainda não são totalmente compreendidas e que as tornam laboratórios físicos fascinantes. Primeiramente, elas possuem propriedades termodinâmicas únicas, como as descritas pela EoS, em seu núcleo. Devido a essas propriedades, apenas uma colherada de material de estrela de nêutrons pesa tanto quanto o Monte Everest.
Outra característica fundamental das estrelas de nêutrons é o seu campo magnético. Durante as fusões de estrelas de nêutrons, esse campo magnético pode atingir valores mais de um bilhão de vezes superiores ao maior campo magnético já criado pela humanidade.
"Nosso trabalho busca compreender sistematicamente o efeito do campo magnético nas frequências oscilantes da estrela de nêutrons pós-fusão e informar sobre vários efeitos concorrentes", disse Tsokaros. "Trabalhos anteriores de outros pesquisadores foram excessivamente otimistas ao tentar identificar as propriedades termodinâmicas no interior das estrelas de nêutrons, ignorando completamente os efeitos advindos de seu campo magnético. Por outro lado, demonstramos explicitamente que essa omissão pode ser enganosa e que o campo magnético deve ser incluído para a interpretação correta das observações."
Como parte de seu estudo recente, Tsokaros e seus colegas realizaram simulações magneto-hidrodinâmicas relativísticas gerais para explorar os efeitos dos campos magnéticos nas frequências oscilantes de estrelas de nêutrons pós-fusão. Nessas simulações, eles usaram duas EoSs de estrelas de nêutrons, duas massas diferentes de estrelas de nêutrons e três topologias diferentes de campos magnéticos.
"O campo magnético é amplificado para valores elevados durante a fusão", explicou Jamie Bamber, pós-doutoranda que trabalha com os professores Tsokaros e Shapiro. "Nossas simulações mostraram que o forte campo magnético faz com que o remanescente da fusão oscile e produza ondas gravitacionais em uma frequência mais alta. Esse aumento na frequência pode mascarar mudanças de frequência de uma origem diferente, como uma mudança na EoS, tornando a interpretação de possíveis observações mais complexa do que se pensava anteriormente."
O professor Milton Ruiz acrescentou: "Para fazer uma avaliação precisa da fase pós-fusão em fusões de estrelas de nêutrons binárias, é necessário incluir os efeitos do campo magnético. Deixar de fazer isso pode levar a conclusões errôneas sobre as propriedades físicas do sistema."
No geral, este estudo recente sugere que os efeitos dos campos magnéticos podem complicar a interpretação de dados de ondas gravitacionais originados de fusões de estrelas de nêutrons. Em suas pesquisas futuras, Tsokaros e seus colegas planejam corroborar seus resultados recentes realizando simulações adicionais em resoluções ainda maiores, que antes eram computacionalmente proibitivas.
"A detecção simultânea em 2017 de ondas gravitacionais pelo LIGO e uma explosão de raios gama pelos satélites da NASA da mesma fonte cósmica marcou a primeira vez que uma fusão de estrelas de nêutrons binárias foi identificada", disse o professor Stuart L. Shapiro.
Isso marcou um avanço na astronomia multimensageira e desencadeou simulações em magneto-hidrodinâmica relativística, como as que temos realizado na Universidade de Illinois. No entanto, muitas das características marcantes dessas simulações só serão identificadas pela próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, como o Telescópio Einstein e o Cosmic Explorer, que detectarão as altas frequências associadas à fusão e pós- fusão de estrelas de nêutrons binárias .
Mais informações: Antonios Tsokaros et al., Mascarando os Efeitos da Equação de Estado em Fusões de Estrelas de Nêutrons Binárias, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.121401 . No arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2411.00939
Informações do periódico: Physical Review Letters , arXiv
