Estrelas de nêutrons em fusão são excelentes alvos para a astronomia multimensageira. Este método moderno e ainda muito recente de astrofísica coordena observações de vários sinais de uma mesma fonte astrofísica. Quando duas estrelas de nêutrons colidem, elas emitem ondas gravitacionais, neutrinos e radiação em todo o espectro eletromagnético. Para detectá-las, os pesquisadores precisam adicionar detectores de ondas gravitacionais e telescópios de neutrinos aos telescópios comuns que capturam luz.

Modelos e previsões precisos dos sinais esperados são essenciais para coordenar esses observatórios, que são muito diferentes por natureza.

"Prever os sinais multimensageiros de fusões de estrelas de nêutrons binárias a partir de princípios básicos é extremamente difícil. Agora conseguimos fazer exatamente isso", afirma Kota Hayashi, pesquisador de pós-doutorado no departamento de Astrofísica Relativística Computacional do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), no Parque Científico de Potsdam. "Usando o supercomputador Fugaku, no Japão, realizamos a simulação mais longa e complexa de uma fusão de estrelas de nêutrons binárias até hoje."

A simulação abrange 1,5 segundo em tempo real, levou 130 milhões de horas de CPU para ser concluída e manteve entre 20.000 e 80.000 CPUs ocupadas simultaneamente. Ela inclui os efeitos da teoria da relatividade geral de Einstein, a emissão de neutrinos e a interação de fortes campos magnéticos com a matéria de alta densidade dentro das estrelas de nêutrons em fusão.

A pesquisa foi aceita pela Physical Review Letters e está atualmente disponível no servidor de pré-impressão arXiv .

A simulação começa com pouquíssimas suposições — estrelas de nêutrons com fortes campos magnéticos orbitando uma à outra — e evolui o binário de forma autoconsistente ao longo do tempo com base em princípios físicos básicos.

Inicialmente, as duas estrelas de nêutrons (simuladas com 1,25 e 1,65 vezes a massa do nosso Sol) orbitam uma à outra cinco vezes. Durante essa fase espiral, elas caem uma em direção à outra à medida que perdem energia orbital, que é emitida como ondas gravitacionais. Devido à alta massa total, o remanescente da fusão colapsa imediatamente em um buraco negro. A simulação prevê o sinal de onda gravitacional, o primeiro dos sinais multimensageiros observáveis.

Após a fusão, um disco de matéria se forma ao redor do buraco negro remanescente. No disco, o campo magnético é amplificado pelo enrolamento das linhas de campo e pelos efeitos de dínamo. A interação com a rotação rápida do buraco negro intensifica ainda mais o campo magnético. Isso cria um fluxo de energia ao longo do eixo de rotação do buraco negro.

"Acreditamos que esse fluxo de energia ao longo do eixo do buraco negro, impulsionado por campos magnéticos, alimenta uma explosão de raios gama", diz Masaru Shibata, diretor do departamento de Astrofísica Relativística Computacional. "Isso está de acordo com o que sabemos de observações anteriores e fornece mais informações sobre o funcionamento interno das fusões de estrelas de nêutrons."

A equipe ainda usa sua simulação para derivar a emissão esperada de neutrinos de fusões de estrelas de nêutrons binárias.

"O que aprendemos sobre a formação de jatos e a dinâmica do campo magnético é crucial para nossa interpretação e compreensão das fusões de estrelas de nêutrons e suas contrapartes associadas", explica Shibata. A simulação fornece informações sobre a quantidade de matéria ejetada no meio interestelar e, assim, possibilita a previsão da quilonova. Trata-se da nuvem luminosa de gás e poeira rica em elementos pesados.

Quando a primeira colisão de duas estrelas de nêutrons , em 17 de agosto de 2017, foi detectada e monitorada por detectores de ondas gravitacionais e, posteriormente, por vários outros telescópios, os pesquisadores descobriram elementos como o ouro, em particular, mais pesados que o ferro. Embora os físicos teóricos suspeitassem que tais quilonovas produzissem esses elementos particularmente pesados, essa teoria foi confirmada pela primeira vez em 2017. Somente ferro e elementos mais leves podem ser criados no interior das estrelas.