Duas estrelas massivas (SSN 7) em contato íntimo, residentes em uma galáxia vizinha, estão a caminho de se tornarem buracos negros que acabarão colidindo, gerando ondas no tecido do espaço-tempo, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores da UCL e da Universidade de Potsdam.
Impressão artística do par binário de contato. A estrela menor, mais brilhante e mais quente (esquerda), que tem 32 vezes a massa do nosso Sol, está atualmente perdendo massa para sua companheira maior (direita), que tem 55 vezes a massa do nosso Sol. Uma é branca e a outra azul porque são muito quentes: 43.000 K e 38.000 K (graus Kelvin), respetivamente. Crédito: UCL/J. daSilva
Um novo estudo, publicado na revista Astronomy & Astrophysics, examinou a binária de contato SSN 7 (duas estrelas orbitando em torno de um centro de gravidade mútuo), analisando a luz das estrelas obtida de uma gama de telescópios terrestres e espaciais.
Figura 1. Imagem óptica (esquerda) e infravermelha (direita) de NGC346 na SMC. Cada imagem mostra uma área no céu de aproximadamente 3,50’ por 3,50’ (~62 pc por ~62 pc em d=61 kpc). As posições das principais fontes ionizantes de NGC 346, ou seja, SSN 7 (ON3 If_+O5.5 V((f))) e SSN 9 (O2 III(f*)), estão destacadas em quadrados vermelhos e verdes, respectivamente. A imagem óptica de cores falsas foi obtida com o instrumento HST ACS. Créditos: A. Nota (ESA/STScI). A imagem infravermelha de cores falsas foi obtida com a câmera de infravermelho próximo (NIRCam) do James Webb Space Telescope (JWST). Créditos: NASA, ESA, CSA, O. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC) e M. Meixner (USRA). Processamento de imagens: A. Pagan (STScI), N. Habel (USRA), L. Lenkic (USRA) e L. Chu (NASA/Ames).
Os pesquisadores descobriram que as estrelas do sistema SSN 7, localizadas na galáxia anã vizinha SMC (Pequena Nuvem de Magalhães), estão em contato parcial e trocando material entre si, com uma estrela atualmente “alimentando” a outra. Elas orbitam seu centro de massa a cada três dias e são, de facto, as estrelas binárias de contato mais massivas já observadas até à data.
Comparando os resultados de suas observações com modelos teóricos de evolução de estrelas binárias, eles descobriram que, no modelo mais adequado, a estrela que está sendo alimentada se tornará um buraco negro e se alimentará de sua estrela companheira. A estrela sobrevivente se tornará um buraco negro logo depois.
Esses buracos negros se formarão em apenas alguns milhões de anos, mas orbitar-se-ão mutuamente por bilhões de anos antes de colidir com tanta força que gerarão ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo – que teoricamente poderiam ser detectadas com instrumentos na Terra.
O estudante de doutorado Matthew Rickard (UCL Physics & Astronomy), principal autor do estudo, declarou:
Graças aos detectores de ondas gravitacionais Virgo e LIGO, dezenas de fusões de buracos negros foram detectadas nos últimos anos. Mas até agora ainda temos que observar estrelas que estão previstas para entrar em colapso em buracos negros desse tamanho e se fundir em uma escala de tempo menor ou mesmo comparável à idade do Universo. Nosso modelo mais adequado sugere que essas estrelas se fundirão como buracos negros em 18 bilhões de anos. Encontrar estrelas neste caminho evolutivo tão próximo de nossa galáxia, a Via Láctea, nos apresenta uma excelente oportunidade de aprender ainda mais sobre como esses binários de buracos negros se formam. Matthew Rickard
O coautor Daniel Pauli, estudante de doutorado na Universidade de Potsdam, disse:
SSN 7 é o sistema binário de contato mais massivo observado até agora. A estrela menor, mais brilhante e mais quente, com 32 vezes a massa do Sol, está perdendo massa para sua companheira maior, que tem 55 vezes a massa do nosso Sol. Daniel Pauli
Os buracos negros que os astrônomos veem se fundindo hoje se formaram bilhões de anos atrás, quando o universo tinha níveis mais baixos de ferro e de outros elementos mais pesados. A proporção desses elementos pesados aumentou à medida que o universo envelheceu e isso torna as fusões de buracos negros menos prováveis. Isso ocorre porque as estrelas com maior proporção de elementos mais pesados têm ventos mais fortes e se separam mais cedo.
A bem estudada Pequena Nuvem de Magalhães, a cerca de 210.000 anos-luz da Terra, tem por uma peculiaridade da natureza cerca de um sétimo do ferro e outras abundâncias de metais pesados de nossa própria galáxia, a Via Láctea. Assim, essa galáxia anã imita as condições do passado distante do universo. Mas, ao contrário das galáxias mais antigas e distantes, está perto o suficiente para os astrônomos medirem as propriedades de estrelas individuais e binárias.
Em seu estudo, os pesquisadores mediram diferentes faixas de luz provenientes da estrela binária (análise espectroscópica), usando dados obtidos em vários períodos de tempo por instrumentos no Telescópio Espacial Hubble (HST), da NASA, e no Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), no Very Large Telescope, do ESO no Chile, entre outros telescópios, em comprimentos de onda que vão do ultravioleta ao óptico e ao infravermelho próximo.
Imagem do aglomerado estelar NGC 346, onde o sistema binário SSN 7 em questão está localizado. A astrofotografia foi obtida pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Telescópio Espacial James Webb. Créditos: NASA, ESA, CSA, O. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC) e M. Meixner (USRA); processamento de imagem – A. Pagan (STScI), N. Habel (USRA), L. Lenkic (USRA) e L. Chu (NASA/Ames)
Com esses dados, a equipe conseguiu calcular a velocidade radial das estrelas – ou seja, o movimento que elas realizam em nossa direção ou para mais longe de nós –, bem como suas massas, brilho, temperatura e órbitas. Eles então combinaram esses parâmetros com o modelo evolutivo mais adequado.
Sua análise espectroscópica indicou que grande parte do envelope externo da estrela menor havia sido arrancado por sua companheira maior. Eles também observaram que o raio de ambas as estrelas excedeu seu lóbulo de Roche – isto é, a região ao redor de uma estrela onde o material está gravitacionalmente ligado a essa estrela – confirmando que parte do material da estrela menor está transbordando e se transferindo para a estrela companheira.
Falando sobre a evolução futura das estrelas, Rickard explicou:
A estrela menor se tornará um buraco negro primeiro, em menos de 700.000 anos, por meio de uma explosão espetacular chamada supernova ou pode ser tão grande que colapsará diretamente em um buraco negro, sem gerar supernova. Eles serão vizinhos inquietos por cerca de três milhões de anos antes que o primeiro buraco negro comece a acumular massa de seu companheiro, vingando-se de seu companheiro. Matthew Rickard
D. Pauli, que conduziu o trabalho de modelagem, acrescentou:
Depois de apenas 200.000 anos, um instante em termos astronômicos, a estrela companheira também entrará em colapso em um buraco negro. Essas duas estrelas massivas continuarão a orbitar uma à outra, com órbitas de poucos dias, durante bilhões de anos. Lentamente, os buracos negros perderão essa energia orbital por meio da emissão de ondas gravitacionais até que orbitem um ao outro a cada poucos segundos, finalmente se fundindo após 18 bilhões de anos, com uma enorme liberação de energia por meio de ondas gravitacionais. Daniel Pauli
Artigo Científico
A&A: “A low-metallicity massive contact binary undergoing slow Case A mass transfer: A detailed spectroscopic and orbital analysis of SSN 7 in NGC 346 in the SMC” assinado por Matthew J. Rickard e Daniel Pauli. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202346055
Fontes
Universidade de Potsdam: Dark couple – Most massive touching stars ever found will eventually collide as black holes
UCL: Most massive touching stars ever found will eventually collide as black holes
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