A estrela de nêutrons mais pesada já descoberta é uma “viúva negra” devorando seu companheiro

Observações de uma estrela fraca do tamanho de um planeta ajudam a pesar sua companheira de pulsar de milissegundos.

Uma estrela de nêutrons girando periodicamente balança seus feixes de rádio (verde) e raios gama (magenta) passando pela Terra no conceito deste artista de um pulsar de viúva negra. O pulsar aquece o lado oposto de seu parceiro estelar a temperaturas duas vezes mais quentes que a superfície do sol e o evapora lentamente. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA/Cruz deWilde

Uma estrela densa e colapsada destruiu e consumiu quase toda a massa de sua companheira estelar e, no processo, tornou-se a estrela de nêutrons mais pesada observada até hoje. Ele está girando a 707 vezes por segundo – tornando-se uma das estrelas de nêutrons mais rápidas da Via Láctea .

Pesar esta estrela de nêutrons , que está no topo dos gráficos com 2,35 massas solares (a massa do nosso sol), ajuda os astrônomos a entender o estranho estado quântico da matéria dentro desses objetos extremamente densos. Se ficarem muito mais pesadas do que isso, as estrelas de nêutrons colapsam completamente e desaparecem como um buraco negro .

“Sabemos mais ou menos como a matéria se comporta em densidades nucleares, como no núcleo de um átomo de urânio ”, disse Alex Filippenko, distinto professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley . “Uma estrela de nêutrons é como um núcleo gigante, mas quando você tem uma massa solar e meia desse material, que é cerca de 500.000 massas terrestres de núcleos todos grudados, não está claro como eles se comportarão.”

De acordo com Roger W. Romani , professor de astrofísica da Universidade de Stanford, as estrelas de nêutrons são incrivelmente densas, com 1 polegada cúbica pesando mais de 10 bilhões de toneladas. Isso significa que seus núcleos são a matéria mais densa do universo, com exceção dos buracos negros, que são impossíveis de estudar porque estão escondidos atrás de seu horizonte de eventos. Portanto, a estrela de nêutrons, um pulsar designado PSR J0952-0607, é o objeto mais denso à vista da Terra.

A extrema sensibilidade do telescópio Keck I de 10 metros em Maunakea no Havaí foi o que tornou possível medir a massa da estrela de nêutrons. Ele registrou um espectro de luz visível da estrela companheira, que agora é reduzida ao tamanho de um grande planeta gasoso. Localizadas na direção da constelação Sextans, as estrelas estão a cerca de 3.000 anos-luz da Terra.

Descoberto em 2017 , o PSR J0952-0607 é referido como um pulsar de “viúva negra”. Seu nome é uma analogia à tendência das aranhas viúvas negras de consumir o macho muito menor após o acasalamento. Na esperança de estabelecer o limite superior de como grandes estrelas/pulsares de nêutrons podem crescer, Filippenko e Romani estudam sistemas de viúvas negras há mais de uma década.

“Ao combinar essa medida com as de várias outras viúvas negras, mostramos que as estrelas de nêutrons devem atingir pelo menos essa massa, 2,35 mais ou menos 0,17 massas solares”, disse Romani, professor de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. e membro do Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology. “Por sua vez, isso fornece algumas das mais fortes restrições à propriedade da matéria em várias vezes a densidade vista nos núcleos atômicos. De fato, muitos modelos populares de física de matéria densa são excluídos por esse resultado.”

Se 2,35 massas solares estiver perto do limite superior das estrelas de nêutrons, dizem os astrônomos, então o interior provavelmente será uma sopa de nêutrons, bem como quarks up e down - os constituintes de prótons e nêutrons normais - mas não de matéria exótica. como quarks “estranhos” ou kaons, que são partículas que contêm um quark estranho.

“Uma massa máxima alta para estrelas de nêutrons sugere que é uma mistura de núcleos e seus quarks up e down dissolvidos até o núcleo”, disse Romani. “Isso exclui muitos estados propostos da matéria, especialmente aqueles com composição interior exótica”.

Romani, Filippenko e o estudante de graduação de Stanford, Dinesh Kandel, são coautores de um artigo que descreve os resultados da equipe que foram publicados hoje (26 de julho de 2022) no The Astrophysical Journal Letters .

Quão grande eles podem crescer?

Os astrofísicos geralmente concordam que quando uma estrela com um núcleo maior que cerca de 1,4 massas solares colapsa no final de sua vida, ela forma um objeto denso e compacto com um interior sob pressão tão alta que todos os átomos são esmagados para formar um mar de nêutrons. e seus constituintes subnucleares, quarks. Essas estrelas de nêutrons nascem girando e, embora muito fracas para serem vistas na luz visível, revelam-se como pulsares, emitindo feixes de luz – ondas de rádio, raios X ou mesmo raios gama – que piscam a Terra enquanto giram, bem como as estrelas giratórias. feixe de um farol.

Os pulsares “comuns” giram e piscam cerca de uma vez por segundo, em média, uma velocidade que pode ser facilmente explicada dada a rotação normal de uma estrela antes de entrar em colapso. Mas alguns pulsares se repetem centenas ou até 1.000 vezes por segundo, o que é difícil de explicar, a menos que a matéria tenha caído na estrela de nêutrons e a tenha girado. Mas para alguns pulsares de milissegundos, nenhum companheiro é visível.

Uma possível explicação para pulsares de milissegundos isolados é que cada um teve uma vez um companheiro, mas o reduziu a nada.

“O caminho evolutivo é absolutamente fascinante. Ponto de exclamação duplo”, disse Filippenko. “À medida que a estrela companheira evolui e começa a se tornar uma gigante vermelha, o material se espalha para a estrela de nêutrons, e isso gira a estrela de nêutrons. Ao girar, ela agora se torna incrivelmente energizada e um vento de partículas começa a sair da estrela de nêutrons. Esse vento então atinge a estrela doadora e começa a retirar o material e, com o tempo, a massa da estrela doadora diminui para a de um planeta e, se ainda mais tempo passar, ela desaparece completamente. Então, é assim que os pulsares de milissegundos podem ser formados. Eles não estavam sozinhos para começar – eles tinham que estar em um par binário – mas gradualmente evaporaram seus companheiros, e agora eles são solitários.”

O pulsar PSR J0952-0607 e sua tênue estrela companheira apóiam essa história de origem para pulsares de milissegundos.

“Esses objetos semelhantes a planetas são a escória de estrelas normais que contribuíram com massa e momento angular, girando seus companheiros de pulsar em períodos de milissegundos e aumentando sua massa no processo”, disse Romani.

Em um caso de ingratidão cósmica, o pulsar da viúva negra, que devorou ​​grande parte de seu companheiro, agora aquece e evapora o companheiro para massas planetárias e talvez aniquilação completa”, disse Filippenko.

Os pulsares de aranha incluem redbacks e tidarrens

Encontrar pulsares de viúva negra em que o companheiro é pequeno, mas não muito pequeno para detectar, é uma das poucas maneiras de pesar estrelas de nêutrons. No caso desse sistema binário, a estrela companheira - agora com apenas 20 vezes a massa de Júpiter - é distorcida pela massa da estrela de nêutrons e travada por maré, semelhante à maneira como nossa lua está travada em órbita, de modo que vemos apenas uma. lado. O lado voltado para a estrela de nêutrons é aquecido a temperaturas de cerca de 6.200 Kelvin, ou 10.700 graus Fahrenheit , um pouco mais quente que o nosso sol, e brilhante o suficiente para ser visto com um grande telescópio.

Filippenko e Romani viraram o telescópio Keck I no PSR J0952-0607 em seis ocasiões nos últimos quatro anos, cada vez observando com o espectrômetro de imagem de baixa resolução em pedaços de 15 minutos para capturar o companheiro fraco em pontos específicos em sua órbita de 6,4 horas do pulsar. Ao comparar os espectros com os de estrelas semelhantes ao Sol, eles foram capazes de medir a velocidade orbital da estrela companheira e calcular a massa da estrela de nêutrons.

Filippenko e Romani examinaram cerca de uma dúzia de sistemas de viúvas negras até agora, embora apenas seis tivessem estrelas companheiras brilhantes o suficiente para permitir que calculassem uma massa. Todas envolviam estrelas de nêutrons menos massivas que o pulsar PSR J0952-060. Eles esperam estudar mais pulsares de viúva negra, assim como seus primos: redbacks, nomeados para o equivalente australiano de pulsares de viúva negra, que têm companheiros mais próximos de um décimo da massa do sol; e o que Romani apelidou de tidarrens – onde o companheiro tem cerca de um centésimo de uma massa solar – em homenagem a um parente da aranha viúva-negra . O macho desta espécie, Tidarren sisyphoides, tem cerca de 1% do tamanho da fêmea.

“Podemos continuar procurando por viúvas negras e estrelas de nêutrons semelhantes que se aproximam ainda mais da beira do buraco negro. Mas se não encontrarmos nenhum, isso reforça o argumento de que 2,3 massas solares é o verdadeiro limite, além do qual eles se tornam buracos negros”, disse Filippenko.

“Isso está bem no limite do que o telescópio Keck pode fazer, portanto, salvo condições fantásticas de observação, o aperto da medição do PSR J0952-0607 provavelmente aguarda a era do telescópio de 30 metros”, acrescentou Romani.

Fonte: scitechdaily.com