Ondas gravitacionais revelam corações de estrelas de nêutrons

Cientistas estão mapeando os interiores extremos de estrelas exóticas com clareza sem precedentes e estabelecendo novos limites para o nascimento de buracos negros.

Dentro de uma estrela de nêutrons - corpos cinzas hiperdensos do tamanho de uma cidade, deixadas após uma supernova - a física moderna mergulha na borda do mapa. Lá, a gravidade espreme a matéria para densidades várias vezes maiores do que as encontradas no núcleo de um átomo, criando o que os teóricos suspeitam que poderia ser um terreno fértil para partículas e interações exóticas nunca antes vistas. Mas densidades tão altas não podem ser sondadas por experimentos de laboratório, e permanecem desafiadoras demais até mesmo para os computadores mais poderosos da atualidade.

Então, quando o Universo se dignou a ajudar, os astrônomos aproveitaram a chance. Em agosto passado, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Avançado a Laser (LIGO), junto com um detector europeu chamado VIRGO, captaram ondas gravitacionais que reverberaram pelo espaço-tempo a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra. Essas ondas, agora reanalisadas em um novo artigo pela equipe LIGO-VIRGO, fornecem algumas das melhores dicas sobre a natureza dos progenitores da fusão - e o que a estrela de nêutrons realmente é.

Enquanto as duas estrelas circulavam em direção à destruição mútua, derramando energia orbital em ondas gravitacionais, elas também começaram a elevar as marés nas superfícies uma da outra. Essas interações de maré sugaram ainda mais energia orbital, apertando a órbita das estrelas de nêutrons e acelerando sua colisão. A força daquelas marés, cozida nas ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO-VIRGO, dependia da estrutura interna de cada estrela de nêutrons, que os físicos modelam usando uma “equação de estado”. Para uma estrela de nêutrons, uma equação de estado descreve matematicamente como as entranhas da estrela reagir a mudanças na densidade, pressão e temperatura.

O novo estudo segue um cálculo inicial divulgado em outubro passado pela mesma equipe, que não conseguiu detectar essas marés no sinal da onda gravitacional. "Nossas primeiras análises foram bastante 'olhos bem abertos' - fizemos algumas suposições", diz Jocelyn Read na California State University, Fullerton, que lidera a equipe de "Extreme Matter" do LIGO.

No segundo turno, porém, a equipe analisou mais órbitas dos dois objetos e adicionou algumas restrições adicionais. Nomeadamente, atribuíam a ambos os objetos equações de estado idênticas - uma suposição razoável, dado que todos os dados disponíveis sobre a fusão tornam praticamente certo que a fonte da colisão era um par de estrelas de nêutrons.

Em seguida, eles testaram possíveis equações de estado que poderiam explicar os dados, adicionando outros requisitos sensatos do mundo real. Por exemplo, mudanças de pressão e densidade não poderiam criar ondas sonoras movendo-se mais rápido que a velocidade da luz dentro de uma estrela de nêutrons (ou qualquer outro objeto). E a equação de estado também tinha que se encaixar na mais pesada estrela de nêutrons confirmada, que pesa cerca de 1,97 massa solar. Se o material da estrela de nêutrons não pudesse sustentar pressões suficientemente altas, tal objeto não seria de modo algum uma estrela de nêutrons - teria entrado em colapso há muito tempo em um buraco negro.

Levando tudo isso em conta, a nova análise descobriu que as duas estrelas de nêutrons envolvidas na fusão, cada uma pesando talvez 1,4 massa solar, eram pequenas para esse peso: cerca de 12 quilômetros de raio. Isso combinaria com as medidas controversas de radiografias prévias do raio da estrela de nêutrons. E isso sugere que as estrelas de nêutrons de tamanho médio possuem pressões interiores relativamente baixas em comparação com o peso pesado de massa solar de 1,97, que deve ter pressões mais altas para fornecer uma espinha dorsal rígida contra essa gravidade esmagadora.

Comparado com as medições em laboratório da matéria em densidades muito mais baixas, os novos dados mostram sugestões experimentais de uma curva ascendente na forma como a pressão aumenta em matéria mais densa e mais densa. Tal curva não seria esperada se as estrelas de nêutrons fossem feitas apenas de nêutrons e prótons - nesse caso, a pressão deveria aumentar apenas suavemente. "Pode haver alguma estrutura interessante na equação de estado emergente", diz Read, acrescentando que os dados ainda são consistentes com um crescimento constante de pressão, correspondendo a uma estrela de nêutrons "chata" feita apenas de prótons e nêutrons. No entanto, se os físicos podem confirmar uma curva como essa na equação de estado, pode ser uma fase de mudança de indícios em densidades muito altas, da mesma forma que a água muda de líquido para sólido a temperaturas suficientemente baixas.

O novo estudo ecoa os resultados de uma análise anterior do mesmo evento publicado em abril por uma equipe liderada pelo estudante de pós-graduação Soumi De na Universidade de Syracuse, mas com o dobro da precisão. "Isso é encorajador, que este evento não seja totalmente explorado", diz James Lattimer, astrofísico da Stony Brook University e co-autor do artigo anterior.

Ambas as equipes, Lattimer e Read, planejam continuar reanalizando o sinal de agosto passado. "Nós não temos torcido tudo o que podemos com isso", diz Read. Em breve, os sinais de fusões adicionais de estrelas de nêutrons provavelmente surgirão de detectores de ondas gravitacionais, fornecendo ainda mais dados para astrofísicos que desejam determinar a equação de estado desses objetos exóticos.

Nesse meio tempo, há outro resultado útil, publicado no The Astrophysical Journal Letters na semana passada. No rescaldo da fusão de estrelas de nêutrons de agosto passado, outros astrônomos vasculharam seus destroços com o Chandra X-Ray Observatory, na esperança de vislumbrar seu resultado final: uma única estrela de nêutrons mais pesada ou um buraco negro.

Uma única estrela de nêutrons gigante pesando aproximadamente 2,7 massas solares teria superado em muito o recorde anterior, forçando a equação de estado de estrela de nêutrons a acomodar uma restrição ainda mais difícil. Mas não era para ser; os dados do Chandra revelaram relativamente poucos raios-x transmitidos pelos destroços da fusão, uma observação consistente com a formação de um buraco negro. De acordo com Lattimer, isso é interessante como seu próprio limite - os astrônomos agora sabem que a matéria das estrelas de nêutrons não pode suportar tanto peso. "Acho que não pensei o suficiente sobre todas as coisas que as fusões poderão nos dizer", diz ele.

Via Scientific American