GW200105 revela órbita oval num par buraco negro–estrela de nêutrons

Quando um buraco negro e uma estrela de nêutrons entram num espiral rumo à colisão, a teoria prevê que a órbita dos dois deve ficar quase perfeitamente circular antes do impacto final.

Isso acontece porque as ondas gravitacionais vão drenando energia do sistema de forma contínua, apertando a trajetória e reduzindo, ao longo do caminho, qualquer alongamento da órbita.

Por isso, quando a fusão finalmente ocorre, os astrónomos normalmente esperam uma evolução “limpa” para um percurso circular. No entanto, um evento recente contrariou essa expectativa.

No sinal de ondas gravitacionais GW200105, cientistas da Universidade de Birmingham identificaram uma estrela de nêutrons e um buraco negro a aproximarem-se num espiral com uma órbita claramente oval pouco antes da fusão.

Essa geometria fora do comum passou a oferecer novas pistas sobre como parte desses pares extremos pode surgir.

Círculos esperados a partir de GW200105

Durante muito tempo, esperava-se que a maioria dos pares estrela de nêutrons–buraco negro perdesse qualquer “ovalização” muito antes da colisão final.

À medida que o sistema emite ondas gravitacionais, ele vai perdendo energia, a órbita encurta e tende a ficar cada vez mais arredondada com o passar do tempo.

Os físicos chamam de excentricidade orbital o quanto uma órbita se afasta de um círculo perfeito.

No caso de GW200105, a equipa estimou uma excentricidade de cerca de 0.145, descartando fortemente uma órbita circular e confirmando que o sistema manteve uma trajetória nitidamente oval até ao momento da fusão.

Esse resultado também alterou a interpretação sobre as próprias massas dos objetos. Em análises anteriores, o buraco negro tinha sido colocado em aproximadamente 8.9 massas solares, e a estrela de nêutrons perto de 1.9 massas solares.

Quando os modelos passaram a considerar a órbita oval, esses valores mudaram: a massa do buraco negro subiu para cerca de 11.5 massas solares, enquanto a estimativa da estrela de nêutrons caiu para cerca de 1.5 massas solares.

Como a órbita não era circular, leituras anteriores acabaram por avaliar de forma ligeiramente incorreta o equilíbrio do sistema entre os dois corpos. Ao fim do processo de fusão, o conjunto resultou num buraco negro com cerca de 13 vezes a massa do Sol.

Um berço cósmico mais apertado e turbulento

A órbita incomum também sugere um cenário de origem mais agitado. Em aglomerados estelares densos ou em sistemas triplos, interações gravitacionais podem sacudir repetidamente um par de objetos compactos.

Essas influências externas conseguem injetar energia na órbita e dificultar que ela se estabilize num formato circular.

Esse tipo de ambiente encaixa-se melhor nas novas observações do que uma história binária tranquila. Se duas estrelas evoluem juntas em isolamento, a radiação gravitacional costuma encolher e suavizar a órbita muito antes da fusão final.

Quando nada interfere por tempo suficiente, os corpos em órbita perdem energia de maneira constante por meio de ondas gravitacionais, o que aperta o movimento e arredonda o traçado.

Por isso, observar uma órbita visivelmente oval tão tarde no processo torna-se difícil de justificar num cenário de formação isolada.

“Esta descoberta dá-nos pistas novas e vitais sobre como estes objetos extremos se juntam”, disse a coautora do estudo, a Dra. Patricia Schmidt, professora associada no Instituto de Astronomia de Ondas Gravitacionais.

Em vez disso, as evidências indicam que pelo menos algumas fusões estrela de nêutrons–buraco negro podem nascer em ambientes estelares superpovoados, onde encontros gravitacionais complexos moldam as suas trajetórias.

As rotações não moldaram a órbita

Os investigadores também avaliaram outra hipótese para explicar o sinal incomum. Em alguns casos, buracos negros ou estrelas de nêutrons em rotação podem provocar um balanço lento da órbita, conhecido como precessão.

Esse movimento pode distorcer ligeiramente o sinal de ondas gravitacionais e dar a impressão de uma órbita mais alongada do que ela realmente é. Neste caso, porém, a equipa não encontrou evidências fortes de que a rotação fosse a causa.

Os dados apontaram para uma explicação mais direta: a órbita, de facto, era oval. Isso torna mais provável que o par tenha surgido num ambiente caótico, onde forças gravitacionais externas influenciaram o caminho.

Com as rotações a terem apenas um papel pequeno, fortaleceu-se a interpretação de uma origem dinamicamente perturbada.

Modelos revelaram sinais escondidos

Para interpretar o sinal, os cientistas compararam as ondas gravitacionais observadas com milhares de padrões simulados que incluíam tanto órbitas ovais quanto efeitos de rotação.

Ferramentas de análise mais antigas frequentemente partiam do pressuposto de uma órbita quase circular. Essa simplificação facilita os cálculos, mas também pode fazer com que sistemas fora do comum passem despercebidos.

Quando essa suposição foi removida e o movimento elíptico passou a ser permitido, GW200105 deixou de parecer uma fusão comum.

Com os modelos melhorados, detalhes que já estavam presentes no sinal tornaram-se visíveis.

Essas técnicas mais avançadas estão agora a permitir medições de massa mais precisas e a apoiar uma compreensão melhor de como esses sistemas extremos se formam.

À procura de mais casos como GW200105

As próximas gerações de observatórios de ondas gravitacionais devem revelar muitos outros eventos incomuns como este.

Com detetores terrestres mais sensíveis, o número de ocorrências analisáveis tende a aumentar. Em paralelo, a Agência Espacial Europeia planeia a Antena Espacial de Interferometria a Laser (LISA), que fará a escuta de ondas gravitacionais a partir do espaço.

Como a LISA foi projetada para detetar ondas de frequência mais baixa, ela poderá identificar sistemas buraco negro–estrela de nêutrons muito mais cedo nas suas vidas, bem antes da colisão final.

Acompanhar esses binários por mais tempo pode indicar se órbitas ovais como a observada em GW200105 são raras ou relativamente comuns.

Isso também pode ajudar os astrónomos a reconhecer quais tipos de ambientes cósmicos moldam esses pares extremos ao longo de milhões de anos.

Fusões podem nascer por caminhos diferentes

Entre os eventos avaliados na análise, GW200105 foi o único a exibir uma órbita nitidamente não circular, o que tornou o resultado especialmente direcionado.

Outras fusões estrela de nêutrons–buraco negro estudadas com o mesmo método continuaram a parecer compatíveis com órbitas quase circulares, pelo menos com os dados disponíveis hoje.

Esse contraste sugere que essas colisões cósmicas podem surgir por mais de um caminho. Em vez de uma origem única e uniforme, as fusões entre estrela de nêutrons e buraco negro podem compor uma população mais diversa, moldada por ambientes e histórias diferentes.

Segundo os astrónomos, esta detecção isolada não resolve todas as perguntas sobre a formação desses sistemas. Ainda assim, ela obriga os investigadores a pensar de forma mais ampla sobre as rotas possíveis que aproximam esses objetos extremos.

As futuras detecções de ondas gravitacionais ajudarão a testar com que frequência ambientes estelares superpovoados, estrelas companheiras ocultas ou outras histórias cósmicas fora do comum deixam marcas detetáveis nas ondulações do espaço-tempo.