A colisão e fusão de duas estrelas de nêutrons — os remanescentes 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 por uma equipe da Penn State e da Universidade do Tennessee Knoxville revelam que a mistura e a mudança de partículas minúsculas chamadas neutrinos, que podem viajar distâncias astronômicas sem serem perturbados, impactam como a fusão se desenrola, bem como as emissões resultantes. As descobertas têm implicações para questões de longa data sobre as origens de metais e elementos de terras raras, além de entender a física em ambientes extremos, disseram os pesquisadores.
O artigo, publicado na revista Physical Review Letters, é o primeiro a simular a transformação de “sabores” de neutrinos em fusões de estrelas de nêutrons. Os neutrinos são partículas fundamentais que interagem fracamente com outra matéria e existem em três sabores, nomeados em função das outras partículas com as quais se associam: elétron, mión e tau. Sob 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.
“Simulações anteriores de fusões de estrelas de nêutrons binárias não incluíram a transformação do sabor dos neutrinos”, disse Yi Qiu, estudante de pós-graduação em física na Faculdade de Ciências Eberly da Penn State e primeiro autor do artigo. “Isso se deve, em parte, ao fato de que esse processo ocorre em uma escala de tempo de nanossegundos 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 vão além do modelo padrão da física. Em nossas novas simulações, descobrimos que a extensão e a localização da mistura e transformação de neutrinos impactam a matéria ejetada da fusão, a estrutura e composição do que resta após a fusão — o remanescente — assim como o material ao seu redor.”
Os pesquisadores construíram uma simulação computacional de uma fusão de estrelas de nêutrons do zero, incorporando uma variedade de processos físicos, incluindo gravidade, relatividade geral, hidrodinâmica e a mistura de neutrinos. Eles também consideraram a transformação de neutrinos de sabor elétron para sabor mión, que os pesquisadores afirmaram ser a transformação de neutrinos mais relevante nesse ambiente. Modelaram vários cenários, variando o tempo e a localização da mistura, assim como a densidade do material circundante.
Os pesquisadores descobriram que todos esses fatores influenciaram a composição e a estrutura do remanescente da fusão, incluindo o tipo e as quantidades de elementos criados durante a fusão. Durante uma colisão, os nêutrons em uma estrela de nêutrons podem ser lançados em outros átomos nos destroços, que podem capturar os nêutrons e, em última instância, decair em elementos mais pesados, como metais pesados como ouro e platina, além de elementos de terras raras que são utilizados na Terra em smartphones, baterias de veículos elétricos e outros dispositivos.
“O sabor de um neutrino muda a forma como ele interage com outra matéria”, disse David Radice, professor assistente de física e professor associado de astronomia e astrofísica na Faculdade de Ciências Eberly da Penn State e autor do artigo. “Neutrinos do tipo elétron podem pegar um nêutron, uma das três partes básicas de um átomo, e transformá-lo nas outras duas, um próton e um elétron. Mas neutrinos do tipo mión 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 persistentes 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 os pesquisadores disseram poder alterar as emissões detectáveis da Terra. Essas emissões geralmente incluem ondas gravitacionais — ondulações no espaço-tempo — assim como radiação eletromagnética como raios-X ou raios gama.
“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 suas próximas gerações de contrapartes, como o proposto observatório Cosmic Explorer, que poderia 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 disseram que modelar os processos de mistura era similar 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 estabiliza em um equilíbrio estável. Porém, muito disso, afirmaram, 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 muito 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 grandes efeitos, tornando importante 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 utilizem a tecnologia para continuar explorando os impactos da mistura de neutrinos.
“As fusões de estrelas de nêutrons funcionam como laboratórios cósmicos, fornecendo importantes insights 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 financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Sloan e pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.
