Defesa de tese de doutorado
Estudante: Lucas Marcelo de Sá Marques dos Santos
Programa: Astronomia
Título: “Populações de objetos compactos ao longo do tempo cósmico"
Orientador: Prof. Dr. Jorge Ernesto Horvath - IAG/USP
Comissão Julgadora:
Membros Titulares
- Prof. Dr. Jorge Ernesto Horvath – Presidente e Orientador – IAG/USP
- Prof. Dr. Amâncio Cesar Santos Friaça - IAG/USP
- Profa. Dra. Elisabete Maria de Gouveia dal Pino - IAG/USP
- Prof. Dr. Riccardo Sturani - IFT/UNESP
- Profa. Dra. Lucimara Pires Martins - UNICID Dra. Lieke Anna Catharina van Son – CCA (por videoconferência)
Membros Suplentes:
- Prof. Dr. Reinaldo Santos de Lima - IAG/USP
- Profa. Dra. Beatriz Leonor Silveira Barbuy - IAG/USP
- Prof. Dr. Alex Cavaliéri Carciofi - IAG/USP
- Prof. Dr. Pedro Henrique Ribeiro da Silva Moraes – UNICID
- Profa. Dra. Floor Suzan Broekgaarden - University of California San Diego
- Profa. Dra. Lívia Silva Rocha - IF/USP
Resumo: A última década viu uma explosão no nosso conhecimento de populações de objetos compactos. O advento da astronomia de ondas gravitacionais (GWs) revelou 84 fusões buraco negro-buraco negro (BHBH) a redshifts de até z~1, um número que promete aumentar para ~300 com o lançamento de dados da quarta corrida observacional da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. Embora muito menos numerosas, fusões buraco negro-estrela de nêutrons (BHNS) também ofereceram pistas importantes sobre a existência de BHs de baixa massa, e fusões NSNS sobre o importante papel que esses eventos têm em evolução química. Concomitantemente, nós continuamos a acumular informação sobre BHs Galácticos a partir de binárias de raios-X, uma nova classe de BHs dormentes e a primeira detecção de um BH por microlente. A população de NSs também continuou a revelar novas faces, com descobertas recentes de novas classes de binárias aranha, fontes de rádio de longo período, uma candidata a NS de massa sub-solar e halos de pulsares. Ainda que este grande zoológico de fontes represente o potencial de entender múltiplos canais de formação e evolução de objetos compactos, conectá- los é um desafio. Evolução estelar e binária massiva ainda é altamente incerta, assim como a formação de estrelas massivas e sistemas múltiplos. No caso dos BHs, quando levados em conta os longos tempos de coalescência de binárias de objetos compactos, nós temos agora acesso a populações formadas sob condições indo do Universo local a, potencialmente, estrelas de População III e BHs primordiais, com detectores futuros previstos a estenderem o horizonte de detecções GW até mesmo a z~100. Qualquer esperança de explorar essas múltiplas amostras simultaneamente, e de vincular como objetos compactos formam-se e evoluem ao longo do tempo cósmico, primeiro requererá que nós cuidadosamente caracterizemos todas as fontes de incerteza afetando nossa capacidade de modelar tais populações. Esta tese tem por objetivo avaliar algumas das diferenças entre populações de objetos compactos locais e de alto redshift (i.e., GW), em particular de BHs, e oferecer ferramentas para conectá-las adequadamente em um contexto cosmológico. Nós começamos demonstrando que um dos problemas de mais longa data em populações de BHs, a existência de uma lacuna de baixas massas na distribuição de massas de BHs em binárias de raios-X, já é fortemente desfavorecida pelas populações Galáctica e de GW tomadas como um todo, sugerindo que múltiplos canais de formação agem em diferentes ambientes. Nós damos sequência com uma revisão da literatura e oferecemos um catálogo atualizado de massas de BHs Galácticos, como preparação para uma futura distribuição de massa atualizada. Nós destacamos a proximidade entre o pico de ~7 Msol nas massas de BHs Galácticos e o pico de ~9 Msol nas massas GW, enquanto o pico secundário de ~35 Msol das GWs está ausente na Galáxia. Conectar essas duas populações envolve variações não somente de evolução estelar massiva, como potencialmente também de formação estelar ao longo do tempo, frequentemente simplificada em estudos de síntese de populações binárias (BPS). Para estabelecer a fundação para essa conexão, nós desenvolvemos e apresentamos o BOSSA (Binary Object environment-Sensitive Sampling Algorithm, Algoritmo de Amostragem sensível ao Ambiente de Objetos Binários), um novo código de amostragem inicial para BPS que leva em conta modelos atuais de formação estelar variável e dependente do ambiente, e engloba em mais detalhe desenvolvimentos modernos na teoria de formação estelar. Nós implementamos o BOSSA pela primeira vez junto do código BPS COMPAS para gerar populações de objetos compactos sob um conjunto de condições iniciais Invariantes, e um de condições Variantes, estas dependentes do ambiente. Nós encontramos que a população de fusões BHBH é particularmente sensível a condições iniciais, e que o modelo Variante leva a um pico de ~9 Msol nas massas de BHs que fusionam em z<1.6, como observado, mas se desloca para um pico de ~16 Msol em redshifts mais altos. Nós demonstramos que incertezas de formação estelar têm um impacto comparável a incertezas de evolução em populações sintéticas. Finalmente, nós retornamos ao problema do pico de ~35 Msol, e mostramos como resultados preliminares de simulações de evolução estelar detalhada com o código MESA sugerem que estrelas quimicamente homogêneas poderiam explicar o pico como consequência de mistura rotacional e perda de massa por ventos amplificada.
Palavras-chave em português (separadas por vírgula): evolução estelar massiva, buracos negros estelares, fusões de objetos compactos, síntese de populações, ondas gravitacionais