Ondas gravitacionais podem guardar memória da fusão de estrelas de nêutrons que as criaram

Ondas gravitacionais são perturbações que se propagam à velocidade da luz no espaço-tempo e são descritas pela Relatividade Geral. Elas são geradas quando há aceleração de matéria no espaço-tempo mas, em geral, elas são formadas por sistemas astrofísicos massivos, como binárias de buracos negros ou estrelas de nêutrons. Essas ondas transportam energia e momento angular do evento que as originou pelo espaço-tempo.

Um dos eventos que formam ondas gravitacionais é a fusão de estrelas de nêutrons que ocorre quando duas estrelas de nêutrons orbitam entre si e perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais. À medida que o sistema evolui, a separação orbital diminui até que as estrelas colidem, liberando uma alta quantidade de energia através de ondas gravitacionais e radiação eletromagnética. Esse evento é chamado de kilonova e é um processo que envolve quantidade de energia alto além de campos gravitacionais intensos.

As ondas gravitacionais emitidas durante esse processo carregam informação detalhada sobre as propriedades do sistema que deu origem à elas. A forma do sinal, ou seja, sua frequência, amplitude e evolução temporal, depende das massas, dos spins e da deformabilidade das estrelas de nêutrons. Esses parâmetros das estrelas de nêutrons estão relacionados com a equação de estado que descreve o interior delas. Além disso, certos efeitos, como a chamada “memória gravitacional” podem preservar assinaturas do evento de fusão que as gerou.

Ondas gravitacionais

As ondas gravitacionais foram introduzidas após serem previstas por Albert Einstein em 1916 quando ele encontrou soluções ondulatórias para as equações Relatividade Geral. Já na épocas, as ondas gravitacionais foram descritas como perturbações na curvatura do espaço-tempo que se propagam na velocidade da luz. Elas seriam flutuações transversais que alteram as distâncias entre pontos no espaço, produzindo deformações alternadas nas direções perpendiculares à propagação.

Durante quase 1 século, a existência de ondas gravitacionais permaneceu como apenas uma previsão teórica e possuindo algumas evidências observacionais indiretas. A detecção direta ocorreu em 2015 pelo observatório LIGO que mediu variações relativas de comprimento em interferômetros a laser. Essa descoberta foi tão importante que garantiu o prêmio Nobel para o físico Kip Thorne.

Fusão de estrelas de nêutrons

Ondas gravitacionais surgem quando massas aceleram de maneira assimétrica no espaço-tempo. Essa aceleração provoca variações em como a massa está distribuída e como essa distribuição muda no tempo. As fontes mais eficientes dessas ondas são sistemas binários compactos, nos quais dois objetos muito massivos orbitam um ao outro em alta velocidade. Entre os principais exemplos estão as fusões de buracos negros e fusões de estrelas de nêutrons.

Na fusão de estrelas de nêutrons, dois objetos orbitam um ao outro enquanto perdem energia por emissão contínua de ondas gravitacionais, reduzindo gradualmente a separação orbital e aumentando a frequência do sinal emitido. À medida que o sistema evolui, a amplitude e a frequência das ondas crescem rapidamente, formando um pico e a possível formação de um buraco negro. Nesse processo, as ondas gravitacionais refletem a e propriedades internas da matéria densa presente nas estrelas de nêutrons.

Memória de ondas gravitacionais

Um fenômento que está associado às ondas gravitacionais e também é descrito na Relatividade Geral é a memória de ondas gravitacionais. Esse efeito diz que, em vez de o espaço-tempo retornar exatamente ao estado inicial após a propagação, na verdade, acaba permanecendo uma deformação. Esse efeito está associado ao fluxo total de energia e momento transportado pela passagem dessas ondas.

No caso da fusão de estrelas de nêutrons, a memória gravitacional inclui contribuições que não estão presentes em fusões de buracos negros. Esses sistemas emitem radiação eletromagnética, fluxos de neutrinos e ejetam matéria bariônica durante e após a coalescência, algo que não acontece em fusão de buracos negros. Um novo estudo quantificou, pela primeira vez, como campos magnéticos, neutrinos e material ejetado contribuem para o efeito de memória de ondas gravitacionais.

Como elas ajudam a entender o fenômeno?

Estudar esse efeito fornece uma medida do fluxo total de energia e momento liberados durante a fusão de estrelas de nêutrons. Ao quantificar os efeitos de campos magnéticos, emissão de neutrinos e ejeção de matéria bariônica, as simulações numéricas mostraram correspondem por até 50% da memória total. A magnitude da memória depende da massa do sistema binário, da equação de estado da matéria nuclear e da intensidade do campo magnético.

Os resultados também indicam que a contribuição eletromagnética pode ser desprezível, exceto sob campos magnéticos intensos. A evolução dos campos magnéticos depois da fusão pode até reduzir a memória gravitacional total em comparação a sistemas não magnetizados. Dessa forma, o estudo do efeito de memória amplia a capacidade de extrair informações sobre os processos físicos dentro dessas colisões extremas.

Referência da notícia

Bamber et al. 2026 Gravitational Wave Memory from Binary Neutron Star Mergers Physical Review Letters