As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais extraordinariamente densos do Universo, com uma capacidade sem igual de comprimir vastas quantidades de matéria em um espaço compacto. Essas estrelas podem conter várias massas solares dentro de um raio de apenas 20 quilômetros. Após a colisão, duas estrelas de nêutrons emitem uma quantidade colossal de energia na forma de uma kilonova.
Essa liberação de energia é suficientemente intensa para desmantelar átomos, gerando um plasma de elétrons livres e núcleos atômicos—um ambiente que lembra o estado primordial do Universo logo após o Big Bang.
Apesar da alta produção de energia das kilonovas, observar e analisá-las representa desafios significativos devido à sua natureza transitória e rápida diminuição. A primeira observação confirmada de um evento de kilonova ocorreu em 2017, designado como AT2017gfo. Nesta nomenclatura, “AT” representa Transiente Astronômico, seguido pelo ano de observação e um identificador único de três letras.
Pesquisas recentes sobre AT2017gfo resultaram em novas informações sobre os mecanismos subjacentes a esse evento notável e energético. A pesquisa é “Emergência hora a hora de recursos de processo r na kilonova AT2017gfo”. Foi publicada no periódico Astronomy and Astrophysics, e o autor principal é Albert Sneppen do Cosmic Dawn Center (DAWN) e do Niels Bohr Institute, ambos em Copenhagen, Dinamarca.
Uma explosão de kilonova inicia a expansão de um plasma esférico, semelhante às condições de alta energia presentes no início do Universo após o Big Bang. Esse plasma, composto por íons e elétrons, permanece em um estado livre de átomos devido às temperaturas extremas que inibem a ligação atômica.
À medida que o plasma começa a esfriar, os átomos surgem através da nucleossíntese, um processo de profundo interesse para os cientistas. Existem três principais caminhos de nucleossíntese: captura lenta de nêutrons (s-process), captura de prótons (p-process) e captura rápida de nêutrons (r-process). Nas kilonovas, o r-process predomina, facilitando a formação de elementos pesados como ouro, platina e urânio. Entre os átomos produzidos, alguns são radioativos, passando por decaimento logo após a formação, o que, por sua vez, libera a energia responsável pela luminosidade característica de uma kilonova.
Este estudo marca a primeira observação da formação de átomos dentro de uma kilonova, oferecendo uma visão única sobre a nucleossíntese nesses eventos estelares altamente energéticos.
“Pela primeira vez, vemos a criação de átomos.” Rasmus Damgaard, coautor, estudante de doutorado no Cosmic DAWN Center.
Eventos em uma kilonova se desenrolam rapidamente, e nenhum telescópio terrestre pode observar continuamente o fenômeno, já que a rotação da Terra periodicamente o desloca para fora da visão.
“Essa explosão astrofísica se desenvolve dramaticamente hora a hora, então nenhum telescópio único pode acompanhar toda a sua história. O ângulo de visão dos telescópios individuais para o evento é bloqueado pela rotação da Terra”, explicou o autor principal, Sneppen.
Esta pesquisa contou com observações coordenadas de vários telescópios terrestres, cada um se revezando para monitorar a kilonova à medida que a Terra girava. Além disso, o Telescópio Espacial Hubble contribuiu com dados críticos de sua posição em órbita baixa da Terra.
“Mas ao combinar as medições existentes da Austrália, África do Sul e do Telescópio Espacial Hubble, podemos acompanhar seu desenvolvimento em grande detalhe”, disse Sneppen. “Mostramos que o todo é mais do que a soma dos conjuntos de dados individuais.”
À medida que o plasma esfria, os átomos começam a se formar, espelhando um processo semelhante que ocorreu no universo primitivo após o Big Bang. Durante essa época, à medida que o Universo se expandia e esfriava, a formação de átomos permitiu que a luz se propagasse livremente, não mais impedida por elétrons livres. O evento de kilonova AT2017gfo exibiu um processo comparável.
Esta pesquisa analisou dados espectrais coletados de 0,5 a 9,4 dias após a fusão, focando em comprimentos de onda ópticos e infravermelhos próximos (NIR). Nos dias iniciais após a fusão, os ejecta permanecem opacos a comprimentos de onda mais curtos, como raios-X e luz ultravioleta (UV), tornando esses comprimentos de onda ineficazes para observação. Em contraste, os comprimentos de onda ópticos e NIR atuam como “janelas abertas” nos ejecta, permitindo que os cientistas observem os espectros detalhados dos elementos recém-formados, que são essenciais para entender a composição e a natureza das kilonovas.
A linha espectral P Cygni é uma característica diagnóstica fundamental nesta pesquisa, significando a presença de uma concha de gás em expansão ao redor da kilonova. Essa linha consiste em componentes de emissão e absorção, fornecendo uma rica fonte de informações sobre vários parâmetros-chave: velocidade, densidade, temperatura, estado de ionização e direção do fluxo.
O estrôncio desempenha um papel proeminente nas kilonovas e neste estudo, produzindo características de emissão e absorção distintas dentro dos comprimentos de onda ópticos e infravermelhos próximos. Essas assinaturas espectrais não apenas confirmam a presença de estrôncio, mas também ajudam a identificar outros elementos recém-formados. As linhas espectrais, em conjunto com o perfil P Cygni, permitem que os pesquisadores determinem a velocidade dos ejecta, as estruturas de velocidade internas, bem como as condições de temperatura e ionização dentro do material em expansão.
Os espectros de AT2017gfo são intricados e desafiadores de interpretar. No entanto, dentro desses dados, os pesquisadores detectaram elementos sintetizados, incluindo telúrio, lantânio, césio e ítrio. Essa descoberta fornece uma visão inestimável dos processos nucleossintéticos ocorrendo dentro das kilonovas.
“Agora podemos ver o momento em que núcleos atômicos e elétrons estão se unindo na luz residual. Pela primeira vez, vemos a criação de átomos, podemos medir a temperatura da matéria e observar a microfísica nessa explosão remota. É como admirar a radiação cósmica de fundo que nos rodeia de todos os lados, mas aqui, temos a chance de ver tudo do lado de fora. Vemos antes, durante e depois do momento de nascimento dos átomos”, diz Rasmus Damgaard, estudante de doutorado no Cosmic DAWN Center e coautor do estudo.
“A matéria se expande tão rapidamente e ganha tamanho tão rapidamente, ao ponto de levar horas para a luz viajar através da explosão. É por isso que, apenas observando a extremidade remota da bola de fogo, conseguimos ver mais longe na história da explosão”, disse Kasper Heintz, coautor e professor assistente no Instituto Niels Bohr.
A kilonova produziu aproximadamente 16.000 massas terrestres de elementos pesados, incluindo cerca de 10 massas terrestres de ouro e platina.
As fusões de estrelas de nêutrons frequentemente resultam na formação de buracos negros, e acredita-se que o evento AT2017gfo tenha criado o menor buraco negro já observado, embora essa conclusão permaneça tentativa. O evento de ondas gravitacionais GW170817, detectado pelo LIGO em agosto de 2017, está associado a essa kilonova e marcou a primeira instância de uma detecção de ondas gravitacionais observada juntamente com um contraparte eletromagnética. Combinados, os dados das ondas gravitacionais e as observações acompanhantes sugerem que um buraco negro pode ter se formado; no entanto, ainda há incertezas. Alguns pesquisadores propõem que um magnetar poderia ter estado envolvido em vez disso.
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As kilonovas são fenômenos astrofísicos intrincados e dinâmicos, servindo como laboratórios naturais para investigar a física nuclear extrema. Elas desempenham um papel crucial na produção cósmica de elementos pesados, tornando-as essenciais para nossa compreensão da nucleossíntese. Os pesquisadores estão particularmente interessados em modelar os processos dentro das kilonovas para obter uma compreensão mais profunda dos mecanismos pelos quais os elementos são sintetizados em ambientes tão extremos.
