Estrela de nêutrons com 11 km de raio

Uma equipe internacional liderada por membros do Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) obteve novas medições do tamanho das estrelas de nêutrons.

© NASA (estrela de nêutrons com o tamanho aproximado de uma cidade)

Para tal, combinaram uma descrição geral dos primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria das estrelas de nêutrons com observações da fusão do binário de estrelas de nêutrons GW170817. Os seus resultados são mais rigorosos por um fator de dois do que os limites anteriores e mostram que uma estrela de nêutrons típica tem um raio próximo dos 11 quilômetros. Também descobriram que as estrelas de nêutrons que se fundem com buracos negros são, na maioria dos casos, provavelmente engolidas inteiras, a menos que o buraco negro seja pequeno e/ou gire rapidamente. Isto significa que, embora tais fusões possam ser observadas como fontes de ondas gravitacionais, seriam invisíveis no espectro eletromagnético.

"As fusões de estrelas de nêutrons binárias são uma mina de ouro de informações!" diz Collin Capano, pesquisador do Instituto Albert Einstein, em Hannover. "As estrelas de nêutrons contêm a matéria mais densa do Universo observável. Na verdade, são tão densas e compactas que podemos pensar de toda a estrela como um único núcleo atômico, ampliado para o tamanho de uma cidade. Ao medir as propriedades destes objetos, aprendemos mais sobre a física fundamental que governa a matéria no nível subatômico."

"Descobrimos que uma típica estrela de nêutrons, que é cerca de 1,4 vezes mais massiva do que o nosso Sol, tem um raio de aproximadamente 11 quilômetros," diz Badri Krishnan, que liderou a equipe no Instituto Albert Einstein. "Os nossos resultados limitam o raio até provavelmente entre 10,4 e 11,9 quilômetros. É um intervalo duas vezes mais rigoroso do que os resultados anteriores."

As estrelas de nêutrons são remanescentes compactos e extremamente densos de explosões de supernova. Não é conhecido como esta matéria extremamente densa e rica em nêutrons se comporta e é impossível criar estas condições em qualquer laboratório da Terra. Os físicos propuseram vários modelos (equações de estado), mas não se sabe qual (se é que existe) destes modelos descreve corretamente a matéria das estrelas de nêutrons na natureza.

As fusões de estrelas de nêutrons binárias, como GW170817, que foi observada em ondas gravitacionais e em todo o espetro eletromagnético em agosto de 2017, são os eventos astrofísicos mais excitantes quando se trata de aprender mais sobre a matéria em condições extremas e a física nuclear subjacente. A partir daqui os cientistas podem, por sua vez, determinar as propriedades físicas das estrelas de nêutrons, como o raio e a massa.

A equipe usou um modelo baseado numa descrição dos primeiros princípios de como as partículas subatômicas interagem nas altas densidades encontradas nas estrelas de nêutrons. Notavelmente, os cálculos teóricos em escalas inferiores a um bilionésimo de milímetro podem ser comparados com observações de um objeto astrofísico a mais de cem milhões de anos-luz de distância.

GW170817 foi provocado pela colisão de dois objetos com o tamanho de uma cidade há 120 milhões de anos, quando os dinossauros ainda vagueavam pela Terra. Isto ocorreu numa galáxia a mais de sextilhões de quilômetros de distância. A partir deste evento, foi possível obter informações sobre a física subatômica.

A descrição dos primeiros princípios, usada pelos pesquisadores, prevê uma família inteira de possíveis equações de estado para as estrelas de nêutrons, que são diretamente derivadas da física nuclear. Desta família, os autores selecionaram os membros com a maior probabilidade de explicar diferentes observações astrofísicas; escolheram modelos que:

• concordam com as observações de ondas gravitacionais de GW170817 a partir de dados públicos do LIGO e do Virgo;
• produzem uma estrela de nêutrons hipermassiva e de vida curta como resultado da fusão;
• concordam com as restrições conhecidas na massa máxima da estrela de nêutrons a partir das observações eletromagnéticas de GW170817.

Isto não só permitiu que os cientistas obtivessem informações robustas sobre a física da matéria densa, mas também que obtivessem os limites mais rigorosos, até ao momento, do tamanho das estrelas de nêutrons.

Os novos resultados sugerem que, com um evento como GW170817, os detectores LIGO e Virgo, com a sensibilidade projetada, poderão distinguir facilmente, apenas com ondas gravitacionais, a fusão de duas estrelas de nêutrons ou de dois buracos negros. Para GW170817, as observações no espetro eletromagnético foram cruciais para fazer esta distinção.

A equipe também descobriu que, para binários mistos (uma estrela de neutrões que se funde com um buraco negro), se existirem apenas ondas gravitacionais da fusão, haverá dificuldade em distinguir estes eventos dos eventos de buracos negros binários. As observações no espetro eletromagnético ou de ondas gravitacionais, no rescaldo da fusão, serão cruciais para as diferenciar.

No entanto, os novos resultados também implicam que é improvável que se obtenham observações de fusões de binários mistos. "Nós mostramos que em quase todos os casos a estrela de nêutrons não será dilacerada pelo buraco negro, mas engolida por inteiro," explica Capano. "Somente quando o buraco negro é muito pequeno ou gira rapidamente, é que pode perturbar a estrela de nêutrons antes de a engolir; e só então é que podemos esperar ver algo mais além de ondas gravitacionais."

Na próxima década, os detectores existentes de ondas gravitacionais se tornarão ainda mais sensíveis, e detectores adicionais começarão as suas observações. Os astrônomos esperam detecções de ondas gravitacionais mais "audíveis" e possíveis observações da fusão de estrelas de neutrões binárias. Cada uma destas fusões proporcionará oportunidades maravilhosas para aprender mais sobre as estrela de nêutrons e sobre a física nuclear.

Os seus resultados foram publicados na revista Nature Astronomy.

Fonte: Max Planck Institute for Gravitational Physics