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Quão massivas podem ser as estrelas de nêutrons?


Emissão de uma onda gravitacional a partir de uma estrela em colapso.
Crédito: Universidade Goethe de Frankfurt

Desde a sua descoberta na década de 1960, que os cientistas procuram responder a uma questão importante: quão massivas podem as estrelas de neutrões se tornar? Contrastando com os buracos negros, estas estrelas não podem ganhar massa arbitrariamente; após um certo limite, não há força física na natureza que possa contrariar a sua enorme força gravitacional. Pela primeira vez, astrofísicos da Universidade Goethe de Frankfurt conseguiram calcular um limite superior rigoroso para a massa máxima das estrelas de nêutrons.

Com um raio de aproximadamente doze quilômetros e uma massa que pode ser o dobro da do Sol, as estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos do Universo, produzindo campos gravitacionais comparáveis aos dos buracos negros. Apesar da maioria das estrelas de nêutrons ter uma massa que ronda os 1,4 sóis, também conhecemos exemplos massivos, como o pulsar PSR J0348+0432 com 2,01 vezes a massa do Sol.

A densidade destas estrelas é enorme, como se os Himalaias fossem comprimidos numa caneca de cerveja. No entanto, há indicações de que uma estrela de neutrões com uma massa máxima colapsaria para um buraco negro, mesmo se fosse adicionado um único nêutron.

Juntamente com os seus alunos Elias Most e Lukas Weih, o professor Luciano Rezzolla, físico do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt e professor de Astrofísica Teórica da Universidade Goethe de Frankfurt, resolveu o problema que permanecia sem resposta há 40 anos: com uma precisão de apenas alguns pontos percentuais, a massa máxima das estrelas de nêutrons não-giratórias não pode exceder as 2,16 massas solares.

A base deste resultado foi a abordagem de "relações universais" desenvolvida em Frankfurt há alguns anos. A existência de "relações universais" implica que praticamente todas as estrelas de nêutrons sejam "parecidas umas com as outras," o que significa que as suas propriedades podem ser expressas em termos de quantidades adimensionais. Os investigadores combinaram estas "relações universais" com dados de sinais de ondas gravitacionais e a subsequente radiação eletromagnética (quilonova) obtida durante a observação, o ano passado, da fusão de duas estrelas de nêutrons no quadro da experiência LIGO. Isto simplifica tremendamente os cálculos porque os torna independentes da equação do estado. Esta equação é um modelo teórico para descrever a matéria densa dentro de uma estrela que fornece informações sobre a sua composição a várias profundidades. Esta relação universal, portanto, desempenhou um papel essencial na definição da nova massa máxima.

O resultado é um bom exemplo da interação entre a investigação teórica e experimental. "A beleza da investigação teórica é que ela pode fazer previsões. A teoria, no entanto, precisa desesperadamente de experiências para diminuir algumas das suas incertezas," explica o professor Rezzolla. "Portanto, é realmente incrível que a observação da fusão de um único par de estrelas de nêutrons, ocorrida a milhões de anos-luz de distância, combinada com as relações universais descobertas através do nosso trabalho teórico, tenha permitido resolver um enigma que no passado viu tantas especulações."

Os resultados da investigação foram publicados na revista The Astrophysical Journal Letters. Dias depois, grupos dos EUA e do Japão confirmaram os achados, apesar de até terem seguido abordagens diferentes e independentes.

Espera-se que a astronomia de ondas gravitacionais observe mais eventos deste gênero no futuro próximo, tanto em termos de sinais de ondas gravitacionais como nas mais tradicionais faixas de frequências. Isto reduzirá ainda mais as incertezas da massa máxima e levará a uma melhor compreensão da matéria em condições extremas. Isto será simulado em aceleradores de partículas modernos, por exemplo no CERN na Suíça ou nas instalações FAIR na Alemanha.

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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