A colisão e fusão de estrelas de nêutrons

A colisão e fusão de duas estrelas de nêutrons — os restos incrivelmente densos de estrelas colapsadas — são alguns dos eventos mais energéticos do universo, produzindo uma variedade de sinais que podem ser observados na Terra. Novas simulações de fusões de estrelas de nêutrons, realizadas por uma equipe da Penn State e da Universidade do Tennessee em Knoxville, revelam que a mistura e a transformação de pequenas partículas chamadas neutrinos, que podem viajar distâncias astronômicas sem serem perturbadas, impactam como a fusão se desenrola, assim como as emissões resultantes. As descobertas têm implicações para questões de longa data sobre as origens de metais e elementos de terras raras, bem como para a compreensão da física em ambientes extremos, afirmaram os pesquisadores.

Publicação e Significado das Simulações

O artigo, publicado na revista Physical Review Letters, é o primeiro a simular a transformação dos “sabores” de neutrinos em fusões de estrelas de nêutrons. Os neutrinos são partículas fundamentais que interagem fracamente com a matéria e vêm em três sabores, nomeados de acordo com as outras partículas com as quais se associam: elétron, múon e tau. Em condições específicas, incluindo o interior de uma estrela de nêutrons, os neutrinos podem teoricamente mudar de sabor, o que pode alterar os tipos de partículas com os quais interagem.

“As simulações anteriores de fusões de estrelas de nêutrons binárias não incluíram a transformação de sabor dos neutrinos,” disse Yi Qiu, estudante de pós-graduação em física na Penn State Eberly College of Science e autor principal do artigo. “Isso se deve em parte ao fato de que esse processo acontece em uma escala de tempo de nanosegundos e é muito difícil de capturar, e em parte porque, até recentemente, não sabíamos o suficiente sobre a física teórica subjacente a essas transformações, que está fora do modelo padrão da física. Em nossas novas simulações, descobrimos que a extensão e a localização da mistura e transformação dos neutrinos impactam a matéria que é ejetada da fusão, a estrutura e a composição do que permanece após a fusão — o remanescente — assim como o material ao seu redor.”

Detalhes das Simulações

Os pesquisadores construíram uma simulação por computador de uma fusão de estrelas de nêutrons desde o início, incorporando uma variedade de processos físicos, incluindo gravidade, relatividade geral, hidrodinâmica e a mistura de neutrinos. Eles também consideraram a transformação de neutrinos do sabor elétron para o sabor múon, que os pesquisadores afirmaram ser a transformação de neutrinos mais relevante neste ambiente. Modelaram vários cenários, variando o tempo e a localização da mistura, bem como a densidade do material ao redor.

Os pesquisadores descobriram que todos esses fatores influenciam a composição e estrutura do remanescente da fusão, incluindo os tipos e quantidades de elementos criados durante a fusão. Durante uma colisão, os nêutrons em uma estrela de nêutrons podem ser lançados contra outros átomos nos detritos, que podem capturar os nêutrons e, em última instância, decair em elementos mais pesados, como metais pesados, como ouro e platina, assim como elementos de terras raras que são utilizados na Terra em smartphones, baterias de veículos elétricos e outros dispositivos.

Impacto da Mudança de Sabor dos Neutrinos

“Um sabor de neutrino muda como ele interage com a matéria,” disse David Radice, professor da Knerr Early Career em Física e professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State Eberly College of Science e autor do artigo. “Neutrinos do tipo elétron podem transformar um nêutron, uma das três partes básicas de um átomo, em outro dois, um próton e um elétron. Mas neutrinos do tipo múon não podem fazer isso. Portanto, a conversão de sabores de neutrinos pode alterar quantos nêutrons estão disponíveis no sistema, o que impacta diretamente a criação de metais pesados e elementos de terras raras. Ainda existem muitas perguntas em aberto sobre a origem cósmica desses elementos importantes, e descobrimos que levar em conta a mistura de neutrinos poderia aumentar a produção de elementos em até um fator de 10.”

A mistura de neutrinos durante a fusão também influenciou a quantidade e a composição da matéria ejetada da fusão, o que, segundo os pesquisadores, poderia alterar as emissões detectáveis da Terra. Essas emissões geralmente incluem ondas gravitacionais — ondulações no espaço-tempo — além de radiação eletromagnética, como raios-X ou raios gama.

Futuras Detecções e Observações

“Em nossas simulações, a mistura de neutrinos impactou as emissões eletromagnéticas das fusões de estrelas de nêutrons e possivelmente as ondas gravitacionais também,” disse Radice. “Com detectores de ponta como LIGO, Virgo e KAGRA e seus antecessores de próxima geração, como o proposto observatório Cosmic Explorer que pode começar a operar na década de 2030, os astrônomos estão prontos para detectar ondas gravitacionais com mais frequência do que antes. Compreender melhor como essas emissões são criadas a partir de fusões de estrelas de nêutrons ajudará a interpretar observações futuras.”

Os pesquisadores afirmaram que a modelagem dos processos de mistura é semelhante a um pêndulo sendo virado de cabeça para baixo. Inicialmente, muitas mudanças ocorreram em uma escala de tempo incrivelmente rápida, mas eventualmente o pêndulo se estabelece em um equilíbrio estável. Mas muito disso, disseram, é uma suposição.

“Ainda há muito que não sabemos sobre a física teórica dessas transformações de neutrinos,” disse Qiu. “À medida que a física teórica de partículas continua a avançar, podemos melhorar significativamente nossas simulações. O que permanece incerto é onde e como essas transformações ocorrem em fusões de estrelas de nêutrons. Nossa compreensão atual sugere que elas são muito prováveis, e nossas simulações mostram que, se ocorrerem, podem ter efeitos importantes, tornando essencial incluí-las em futuros modelos e análises.”

Agora que a infraestrutura para essas simulações complexas foi criada, os pesquisadores afirmaram que esperam que outros grupos usem a tecnologia para continuar a explorar os impactos da mistura de neutrinos.

“As fusões de estrelas de nêutrons funcionam como laboratórios cósmicos, fornecendo insights importantes sobre a física extrema que não podemos replicar com segurança na Terra,” disse Radice.

Além de Qiu e Radice, a equipe de pesquisa inclui Maitraya Bhattacharyya, bolsista de pós-doutorado no Instituto de Gravitação e Cosmos da Penn State, e Sherwood Richers da Universidade do Tennessee, Knoxville. O trabalho foi apoiado por fundos do Departamento de Energia dos EUA, da Fundação Sloan e da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.