Uma estrela de neutrões típica tem 11 km de raio, o tamanho de uma cidade média

 

Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

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

Para tal, combinaram uma descrição geral dos primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria das estrelas de neutrões com observações multi-mensageiras da fusão do binário de estrelas de neutrões GW170817.

Os seus resultados, publicados na revista Nature Astronomy, são mais rigorosos por um fator de dois do que os limites anteriores e mostram que uma estrela de neutrões típica tem um raio próximo dos 11 quilómetros.

Também descobriram que as estrelas de neutrões 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 neutrões binárias são uma mina de ouro de informações!” diz Collin Capano, investigador do Instituto Albert Einstein em Hannover e autor principal do estudo publicado na Nature Astronomy. “As estrelas de neutrões 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 atómico, 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 subatómico.”

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

Fusões de estrelas de neutrões binárias como um tesouro astrofísico

As estrelas de neutrões são remanescentes compactos e extremamente densos de explosões de supernova. São mais ou menos do tamanho de uma cidade e têm até o dobro da massa do nosso Sol.

Não sabemos como esta matéria extremamente densa e rica em neutrões se comporta e é impossível criar estas condições num 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 neutrões na natureza.

As fusões de estrelas de neutrões 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 neutrões, como o raio e a massa.

A equipa de investigação usou um modelo baseado numa descrição dos primeiros princípios de como as partículas subatómicas interagem nas altas densidades encontradas nas estrelas de neutrões. Notavelmente, como mostra a equipa, os cálculos teóricos a 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.

“É um pouco incompreensível,” diz Capano. “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 mil triliões de quilómetros de distância. A partir deste evento, obtivemos informações sobre a física subatómica.”

Qual é o tamanho de uma estrela de neutrões?

A descrição dos primeiros princípios, usada pelos investigadores, prevê uma família inteira de possíveis equações de estado para as estrelas de neutrões, 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 neutrões hipermassiva e de vida curta como resultado da fusão;
  • concordam com as restrições conhecidas na massa máxima da estrela de neutrões 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 neutrões.

Observações futuras de ondas gravitacionais e astronomia multi-mensageira

“Estes resultados são empolgantes, não apenas porque conseguimos melhorar em muito as medições dos raios das estrelas de neutrões, mas porque nos dá uma janela para o destino final das estrelas de neutrões na fusão de binários,” diz Stephanie Brown, coautora da publicação e estudante de doutoramento no mesmo instituto.

Os novos resultados sugerem que, com um evento como GW170817, os detetores LIGO e Virgo, com a sensibilidade projetada, poderão distinguir facilmente, apenas com ondas gravitacionais, a fusão de duas estrelas de neutrões ou de dois buracos negros.

Para GW170817, as observações no espetro eletromagnético foram cruciais para fazer esta distinção. A equipa de investigação também descobriu que, para binários mistos (uma estrela de neutrões que se funde com um buraco negro), a 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 multi-mensageiras de fusões de binários mistos. “Nós mostrámos que em quase todos os casos a estrela de neutrões 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 neutrões antes de a engolir; e só então é que podemos esperar ver algo mais além de ondas gravitacionais.”

Um futuro brilhante pela frente

Na próxima década, os detetores existentes de ondas gravitacionais tornar-se-ão ainda mais sensíveis, e detetores adicionais começarão as suas observações. A equipa de investigação espera deteções de ondas gravitacionais mais “audíveis” e possíveis observações multi-mensageiras da fusão de estrelas de neutrões binárias.

Cada uma destas fusões proporcionará oportunidades maravilhosas para aprender mais sobre as estrela de neutrões e sobre a física nuclear.

// CCVAlg

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