Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

Nas profundezas do silêncio entre as estrelas, muito além da bolha protetora do nosso Sol, um par de sondas espaciais tem ouvido um zumbido fraco e persistente há décadas. Estas são as sondas Voyager, os primeiros objetos feitos pelo homem a entrar no verdadeiro meio interestelar, o vasto oceano de gás e poeira que preenche o espaço entre as estrelas. Desde meados da década de 1980, e continuando bem depois de cruzarem a fronteira conhecida como heliopausa, seus instrumentos detectaram oscilações de plasma — ondulações no gás eletricamente carregado do espaço — vibrando a uma frequência de cerca de 3.000 ciclos por segundo. Durante quarenta anos, cientistas tentaram identificar a fonte deste ruído cósmico. Embora algumas teorias sugerissem que as ondulações eram causadas por tempestades solares atingindo a borda do nosso sistema solar, cresceram as dúvidas de que o nosso próprio Sol poderia ser responsável por sinais que persistem muito depois de a atividade solar ter diminuído. A questão permanece: o que está gerando essas ondas constantes e de baixa frequência na escuridão profunda?

Um novo estudo propõe uma resposta radical, sugerindo que a fonte não reside no nosso sistema solar, mas nas vidas violentas de estrelas mortas. Os pesquisadores, Preston Jones, Pragati Pradhan e Douglas Singleton, exploram um mecanismo teórico onde as ondas gravitacionais emitidas por estrelas de nêutrons poderiam gerar a radiação eletromagnética que a Voyager está ouvindo. As estrelas de nêutrons são os núcleos colapsados e incrivelmente densos de estrelas massivas que explodiram. Algumas dessas estrelas giram centenas de vezes por segundo e, ao rotacionarem, podem enviar ondulações no tecido do espaço e do tempo conhecidas como ondas gravitacionais. O artigo sugere que, à medida que essas ondas gravitacionais viajam pelo espaço, elas podem interagir com o próprio vácuo para produzir radiação eletromagnética, um processo que os autores chamam de "coprodução".

A lógica desta conexão baseia-se em uma cadeia específica de eventos envolvendo a frequência. As estrelas de nêutrons que giram mais rapidamente podem rotacionar a aproximadamente 700 vezes por segundo. Se tal estrela emitir ondas gravitacionais, a teoria prevê que essas ondas oscilariam a duas vezes a taxa de rotação, ou cerca de 1.400 vezes por segundo. A teoria da coprodução sugere então que essas ondas gravitacionais, por sua vez, gerariam ondas eletromagnéticas a duas vezes a sua própria frequência. Isso resulta em um sinal final vibrando a aproximadamente 3.000 vezes por segundo, o que coincide com a frequência exata das oscilações de plasma detectadas pela Voyager. Este alinhamento matemático oferece uma explicação convincente para o motivo de os sinais estarem neste tom específico, um detalhe que as teorias anteriores baseadas no Sol tiveram dificuldade em explicar.

No entanto, os autores tomam o cuidado de notar que isto é uma sugestão baseada em cálculos teóricos, não uma descoberta confirmada. Eles calculam que, para uma estrela de nêutrons produzir um sinal forte o suficiente para ser ouvido pela Voyager, ela precisaria ser relativamente próxima, dentro de um limite teórico de cerca de 150 parsecs (aproximadamente 490 anos-luz), e extremamente energética. O artigo identifica os remanescentes de supernovas conhecidos como Cassiopeia A e Vela Jr. como candidatos prováveis para produzir tais ondas gravitacionais energéticas, embora note que o pulsar de Vela está aproximadamente duas vezes além desta distância limite estimada da Terra, tornando-o uma fonte menos provável para as observações específicas da Voyager. Os pesquisadores também consideram como os sinais podem persistir por anos. Eles propõem que, embora o surto inicial de energia de um evento de estrela de nêutrons possa ser curto, as ondulações resultantes no plasma interestelar poderiam ser sustentadas pelas propriedades únicas do espaço entre as estrelas, tal como um sino que continua a ressoar muito depois de ter sido golpeado.

O estudo também analisa o contexto mais amplo do que a Voyager observou. A espaçonave detectou raios cósmicos, partículas de alta energia, chegando a uma taxa que corresponde aproximadamente à frequência de "glitches", ou acelerações súbitas, na rotação de estrelas de nêutrons conhecidas. Esta correlação adiciona peso à ideia de que as estrelas de nêutrons são a fonte da atividade que a Voyager testemunha. Se as oscilações de plasma forem, de fato, o resultado de ondas gravitacionais convertendo-se em ondas de rádio, isso significaria que as sondas Voyager estão atuando efetivamente como detectores para um tipo de onda gravitacional que os atuais observatórios terrestres não conseguem ver. Os detectores existentes estão sintonizados em frequências muito mais baixas e perderiam esses sinais rápidos e agudos.

Os autores enfatizam que a prova mais forte desta teoria seria a detecção simultânea de um sinal de onda gravitacional a 1.500 ciclos por segundo e da oscilação de plasma a 3.000 ciclos por segundo. Eles examinaram dados do verão de 2017, quando a Voyager registrou um evento de raio cósmico e uma oscilação de plasma, e observaram que nenhum sinal de onda gravitacional foi relatado naquele momento. No entanto, o artigo esclarece que esta ausência de detecção é consistente com a fonte estar além dos limites atuais de sensibilidade de alta frequência dos detectores, em vez de ser um resultado negativo definitivo de uma busca específica naquela janela. O artigo conclui que, embora a evidência ainda não seja definitiva, a teoria da coprodução fornece uma explicação plausível e fisicamente consistente para um mistério que perdura há décadas. Sugere que o zumbido que a Voyager ouve é o eco da rotação de uma estrela moribunda, transformado pelas leis da física num som que pode viajar através da galáxia.