Ondas Gravitacionais Ajudam A Descobrir Qual A Massa Máxima de Uma Estrela de Nêutrons

Qual é a maior massa que uma estrela de nêutrons, o núcleo denso e colapsado de uma estrela massiva, pode ter antes de se colapsar em um buraco negro? Recentes eventos registrados de ondas gravitacionais dão novas pistas sobre isso.

As estrelas de nêutrons consistem quase que inteiramente de nêutrons empacotados num núcleo atômico. A massa extrema em um espaço tão reduzido resulta em uma grande força gravitacional que aumenta à medida que mais nêutrons são empacotados. Quando a força gravitacional excede as forças nucleares e quânticas combinadas, que empurram a matéria para fora, a estrela colapsa em um buraco negro.

Mas qual é o limite máximo de massa antes da estrela de nêutrons se colapsar? A teoria sugere que, para uma estrela de nêutrons sem rotação, esse limite fica entre 2 e 3 vezes a massa do Sol, mas o valor preciso nós não sabemos ele depende do estado desconhecido da matéria dentro da estrela de nêutrons. Para tentar encontrar essa informação, nós precisamos de observações que nos ajudam a definir o quão pesada uma estrela de nêutrons pode ser.

Nos anos recentes, as ondas gravitacionais têm fornecido uma nova e valiosa ideia sobre isso. Dois eventos em particular nos mostram pistas interessantes.

O primeiro evento é conhecido como GW170817, nesse evento, duas estrelas de nêutrons com massa de 1.1 e 1.6 vezes a massa do Sol se fundiram criando um objeto maior que acredita-se tenha se colapsado logo depois da fusão em um buraco negro. As observações de ondas gravitacionais e eletromagnéticas desse processo apontam para uma estrela de nêutrons com uma massa menor que 2.3 vezes a massa do Sol.

O outro evento é conhecido como GW190814, nesse evento um buraco negro com mais de 20 vezes a massa do Sol se fundiu com um objeto  com 2.5 a 2.7 vezes a massa do Sol, mas nós não sabemos se esse objeto menor era uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Se esse objeto fosse uma estrela de nêutrons sem rotação, então implicaria que o limite superior de massa para uma estrela de nêutrons é acima das 2.5 vezes a massa do Sol.

Será que é possível reconciliar esses dois pedaços conflitantes de informação? Um estudo liderado por Antonios Nathanail, do Instituto de Física Teórica na Alemanha, apresentou novas análises que podem nos mostrar o que essas fusões têm a nos dizer sobre os limites das estrelas de nêutrons.

Nathanail e seus colaboradores analisaram essas duas fusões, empregando um algoritmo genético, ou seja, um algoritmo que explora um grande espaço de parâmetros e busca por soluções otimizadas imitando o processo de seleção natural. Usando esse algoritmo, os autores identificaram que as soluções de massa máxima estão consistentes com as observações de onda gravitacional e do espectro eletromagnético dos eventos GW170817 e GW190814 e com as simulações numéricas das fusões.

A partir de sua investigação sistemática, os autores mostram que uma grande massa máxima de estrela de nêutrons – como as 2.5 massas solares exigidas se o objeto secundário do evento GW190814 fosse uma estrela de nêutrons não giratória – não combina com nossas observações do evento  GW170817 ou com as expectativas de simulações numéricas de gravitacional produção de ondas.

Em vez disso, os autores descobriram que uma massa máxima de estrela de nêutrons de cerca de 2.2 massas solares reproduz nitidamente as observações do evento  GW170817 e é consistente com simulações numéricas. Este limite superior implica que o objeto secundário do evento  GW190814 era muito grande para ser uma estrela de nêutrons sem rotação. Em vez disso, o evento GW190814 foi provavelmente a fusão de dois buracos negros de massa desigual.

Fonte:

https://aasnova.org/2021/03/10/gravitational-waves-shed-light-on-how-heavy-a-neutron-star-can-be/

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abdfc6/pdf

Sérgio Sacani

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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