Vista como uma mudança de paradigma para a astronomia multimensageira, cientistas japoneses realizaram a simulação mais longa e complexa até hoje de uma colisão binária de estrelas de nêutrons. O resultado foi a formação imediata de um buraco negro e a ejeção de um jato de matéria com velocidade próxima à da luz.
Consideradas as “queridinhas” da astronomia multimensageira, as estrelas de nêutrons entregam exatamente os sinais mensageiros que essa abordagem demanda: ondas gravitacionais, sinais eletromagnéticos, raios X e raios gama, além de neutrinos e sinais que ainda não temos tecnologia para detectar.
Não por acaso, a primeira observação de ondas gravitacionais provenientes de uma colisão de estrelas de nêutrons, ocorrida em agosto de 2017, fundou a astronomia multimensageira, um campo que não se limita a estudar o universo através da luz, mas também de outros sinais vindos do espaço.
A simulação modelou 1,5 segundo real do evento físico, desde o momento da fusão até bem depois da formação do buraco negro, o que, em termos de fenômenos extremos é muito tempo, uma vez que a própria fusão acontece em milissegundos.
Em termos de processamento, a equipe utilizou 130 milhões de horas de CPU para simular o evento aparentemente tão fugaz. Durante a simulação, foram mobilizadas entre 20 mil e 80 mil CPUs, disponibilizadas pelo icônico supercomputador Fugaku.
Colisão de estrelas de nêutrons
Quando estrelas com massa de pelo menos 8 a 10 vezes a do Sol esgotam seu combustível nuclear, a pressão de radiação que mantinha a estrela “inflada” desaparece, e o núcleo colapsa em fração de segundo. Isso gera uma explosão espetacular (a supernova) e uma esfera compacta: a estrela de nêutrons.
Com apenas cerca de 20 km de diâmetro, possuem uma densidade tão extrema que uma simples colher de chá de sua matéria pesaria tanto quanto uma montanha. Quando duas dessas estrelas em um sistema binário colidem em seus instantes finais, liberam uma quantidade de energia tão intensa que pode ser detectada aqui na Terra.
Por isso, a reprodução caótica desse 1,5 segundo demanda muita física avançada. O “combo” envolveu a relatividade geral de Einstein, emissão de neutrinos e interações entre campos magnéticos intensos com matéria nuclear ultradensa. Tudo ao mesmo tempo.
Em um comunicado, o primeiro autor do estudo, Kota Hayashi, pós-doutorando do Instituto Albert Einstein na Alemanha, explica: “Prever os sinais multimensageiros de fusões de estrelas de nêutrons binárias a partir de princípios básicos é extremamente difícil. Agora conseguimos fazer exatamente isso”.
A simulação modelou duas estrelas com massas de 1,25 e 1,65 vezes a massa solar, completando cinco órbitas antes da fusão. Durante o processo, elas perderam energia orbital emitindo ondas gravitacionais detectáveis. A colisão resultou em colapso imediato, formou um buraco negro e gerou ondas gravitacionais.
Como foi conduzida a simulação?
A mais sofisticada simulação computacional foi construída, paradoxalmente, de forma minimalista e sem suposições para não “forçar” comportamentos específicos no sistema. Tudo começa apenas com as condições iniciais essenciais: duas estrelas de nêutrons orbitando uma em torno da outra, com fortes campos magnéticos.
O sistema binário evolui de maneira natural: as ondas gravitacionais fazem as órbitas decaírem, elas se aproximam, seus campos magnéticos interagem e se modificam, tudo de forma interconectada. A simulação usa leis fundamentais da física como relatividade geral, eletromagnetismo e hidrodinâmica relativística.
As equações de estado da matéria nuclear descrevem como a matéria se comporta sob pressões e densidades extremamente altas. Ou seja, os cientistas veem o que aconteceria na natureza, sem vieses ou suposições artificiais sobre como o sistema “deveria” se comportar.
Nesse universo virtual em miniatura, onde as leis da física podem operar livremente, não é só o buraco negro que se forma. A matéria das colisões forma um disco de acreção ao redor dele, que, com sua rotação rápida, reforça os campos magnéticos das estrelas. A matéria forma um jato ao longo do eixo de rotação.
Continuando a simulação, os pesquisadores observaram a produção de neutrinos, partículas subatômicas muito leves e quase sem interagir com a matéria. Finalmente, surge “a cereja do bolo”: a apoteose luminosa final de uma quilonova — a ejeção de matéria rica em ouro, platina e outros elementos pesados.
O artigo descrevendo esse trabalho foi publicado na revista Physical Review Letters.
