Uma estrela típica de nêutrons mede 22 quilômetros de largura, de acordo com uma nova pesquisa. É a medida mais precisa até agora desses objetos altamente compactos e super densos.
Se os buracos negros são os fenômenos mais extremos do universo, as estrelas de nêutrons ocupam um segundo lugar muito próximo (a menos que existam estrelas de quarks, o que ainda não foi confirmado). Formadas após uma explosão de supernova (quando uma estrela gigante entra em colapso sobre si mesma), as estrelas de nêutrons não têm a massa necessária para se tornarem um buraco negro, mas são assustadoramente densas.
Estrelas típicas de nêutrons contêm uma massa equivalente a meio milhão de Terras, mas não são maiores que uma cidade de tamanho médio. Os astrônomos usam massas solares para descrever o peso das estrelas de nêutrons, nas quais uma massa solar é igual ao peso do nosso Sol. Uma massa estelar de nêutrons padrão normalmente tem 1,4 massa solar (o peso mínimo necessário para um objeto se tornar uma estrela de nêutrons), mas descobertas recentes aumentaram esse intervalo para 2,3 massas solares. Um pouco mais pesado e você começa a entrar no campo dos buracos negros.
Com todo esse material compactado em um espaço tão pequeno, o tamanho total das estrelas de nêutrons se torna fortemente restrito; não há muito espaço para se contorcer, por assim dizer, dentro dessas esferas ultracompactas. Como consequência, as estrelas de nêutrons são excepcionalmente redondas.
Dito isto, o raio preciso de uma estrela de nêutrons típica de 1,4 massa solar permanece incerta, com estimativas variando de 10 a 14 quilômetros. Essa variabilidade é um problema, disse Thankful Cromartie, um estudante de doutorado do Departamento de Astronomia da Universidade da Virgínia, ao Gizmodo.
“Medições bem restritas dos raios das estrelas de nêutrons são realmente importantes em nosso esforço para entender como a matéria se comporta em densidades extremamente altas”, disse Cromartie, que não estava envolvido na nova pesquisa.
Usando uma nova técnica, os astrofísicos do Instituto Albert Einstein (AEI) de Hannover, no Instituto Max Planck de Física Gravitacional, forneceram uma nova estimativa para o raio de uma estrela de nêutrons de 1,4 massa solar: 11 quilômetros, com uma margem de erro de -0,6 km a +0,9 km. Com esses intervalos de erro, o diâmetro é estimado entre 20,8 e 23,8 quilômetros. O novo artigo foi publicado esta semana na Nature Astronomy.
Essa é uma estimativa excepcionalmente limitada, especialmente quando você considera a origem dos dados para essa medição: uma fusão em estrela de nêutrons, chamada GW170817. Astrônomos das colaborações LIGO e Virgo observaram a colisão dessas duas estrelas de nêutrons em 17 de agosto de 2017, a uma distância de 130 milhões de anos-luz.
A nova medição está aproximadamente no mesmo patamar das estimativas anteriores, mas as margens de erro agora são consideravelmente mais estreitas. É “uma melhorias de dois fatores na incerteza sobre o raio estelar de nêutrons em relação às estimativas anteriores”, disse Capano ao Gizmodo.
Para chegar a essa nova estimativa de tamanho, os pesquisadores da AEI, liderados pelo astrofísico Collin Capano, analisaram todo o espectro eletromagnético e as ondas gravitacionais produzidas por GW170817 e aplicaram esses dados a equações derivadas da física de partículas. Isso lhes permitiu determinar várias propriedades físicas, como raio e massa.
“Ao sintetizar o que aprendemos das observações de GW170817 com uma descrição teórica mais completa da equação de estado [uma equação que descreve o estado da matéria devido a um conjunto de condições físicas], este trabalho apresenta um limite incrivelmente rigoroso dos raios típicos de estrelas de nêutrons”, Cromartie disse ao Gizmodo.
“Isso parece um resultado interessante: novas restrições no raio de uma estrela de nêutrons canônica a partir de uma combinação de física nuclear com observações de ondas gravitacionais e eletromagnéticas da fusão binária de estrelas de nêutrons GW170817”, escreveu Manu Linares, astrofísico da Universidade Politécnica de Catalunha, na Espanha, que não participou da nova pesquisa, em um e-mail para o Gizmodo.
De fato, o incrível das estrelas de nêutrons é que elas são basicamente gigantescos experimentos de física de partículas flutuando no espaço, e tendem a espalhar uma quantidade enorme de informações úteis. O desafio para os cientistas é descobrir o que realmente está acontecendo dentro delas.
“O que é notável nas estrelas de nêutrons é que elas são tão densas e compactas, que você pode pensar nelas como um único átomo nuclear dimensionado para o tamanho de uma cidade”, disse Capano ao Gizmodo. “Isso significa que a física subatômica se manifesta nas propriedades macroscópicas da estrela, como sua massa, raio e com que facilidade é deformada quando exposta a um campo gravitacional externo”.
Nesse caso, os pesquisadores foram capazes de prever como as partículas subatômicas estavam interagindo nas tremendas densidades que se supõe existir dentro das estrelas de nêutrons.
“O GW170817 foi causado pela colisão de dois objetos com raios do tamanho de Manhattan e massas cerca de uma vez e meia a do Sol”, disse Capano. “Isso aconteceu quando os dinossauros estavam andando pela Terra, em uma galáxia a um bilhão de trilhões de quilômetros de distância. A partir disso, obtivemos informações sobre a física subatômica, em escalas de comprimento inferiores a um bilionésimo de milímetro. É incrível e uma prova da sensibilidade que os milhares de cientistas que planejaram, construíram e mantêm nossos detectores e telescópios de ondas gravitacionais alcançaram”.
Linares disse que gostou do novo artigo, mas que o GW 170817 é o único evento para o qual esse novo método foi aplicado, o que significa que “as incertezas sistemáticas do método ainda não são claras”, disse ele.
“As restrições de raio podem se tornar menos rigorosas com diferentes premissas de modelo, com novas observações de fusões binárias de estrelas de nêutrons ou ao acomodar estrelas supermassivas de nêutrons”, disse Linares ao Gizmodo, lembrando-nos dessas colossais estrelas de nêutrons de 2,3 massas solares. Independentemente disso, a estimativa de 11 quilômetros está alinhada com medições anteriores, disse ele, e o estudo “abre caminho para um futuro próximo, onde esperamos muito mais detecções de fusões binárias de estrelas de nêutrons”.
O artigo também apresenta algumas previsões para os astrônomos, em termos do que eles devem esperar não observar.
Especificamente, os autores dizem que fusões envolvendo buracos negros e estrelas de nêutrons, nas quais estrelas de nêutrons são separadas, raramente serão vistas pelos astrônomos. Mais frequentemente, as estrelas de nêutrons serão engolidas inteiras. Para os astrônomos, isso significa que eles não devem esperar detectar muitos desses eventos no espectro eletromagnético, mas como fontes de ondas gravitacionais.
“Do ponto de vista de um observador, é decepcionante ouvir que as fusões de estrelas de nêutrons de buracos negros raramente serão vislumbradas no espectro eletromagnético”, disse Cromartie.
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