Telescópios, aceleradores e LIGO se unem para sondar estrelas de nêutrons

Os físicos criaram uma estrutura para entender melhor a matéria superdensa dentro das estrelas de nêutrons, combinando observações de detectores de ondas gravitacionais e telescópios convencionais com resultados experimentais de aceleradores de partículas.

Cataclismo: Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade espaço-tempo ondulada representa as ondas gravitacionais que viajam da colisão, enquanto os feixes estreitos mostram as rajadas de raios gama que são disparadas apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais. Nuvens rodopiantes de material ejetado das estrelas em fusão também são retratadas. As nuvens brilham com comprimentos de onda de luz visíveis e outros. (Cortesia: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)O qu

Os resultados, de uma equipe liderada por Sabrina Huth, da Technische Universität Darmstadt, na Alemanha, e Tsun Ho (Peter) Pang, da Universidade de Utrecht, na Holanda, indicam que muitas estrelas de nêutrons experimentam maior pressão de degeneração em seus interiores do que o previsto. Como consequência, algumas estrelas de nêutrons têm um raio maior do que o esperado – um resultado que foi anteriormente sugerido em observações do experimento Neutron Star Interior Composition Explorer Mission (NICER) a bordo da Estação Espacial Internacional. 

As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais extremos do universo. São os núcleos esmagados de estrelas que explodiram como supernovas e, apesar de medirem apenas cerca de 20 quilômetros de diâmetro, possuem uma massa de até 2,3 vezes a do Sol. Dentro deles, a pressão é tão grande que elétrons carregados negativamente e prótons carregados positivamente são esmagados, formando um corpo feito quase inteiramente de nêutrons carregados de forma neutra. 

O termo “pressão de degeneração” refere-se à incapacidade de quaisquer duas partículas – neste caso, nêutrons – de habitar o mesmo nível de energia quando esmagadas. Essa incapacidade produz uma pressão externa compensatória que funciona para evitar que as estrelas de nêutrons sejam esmagadas ainda mais. “Portanto, para altas pressões, os nêutrons querem ficar mais distantes, resultando em uma estrela de nêutrons maior”, explica Pang. 

Equação de estado 

Conhecer o raio das estrelas de nêutrons ajudará os astrofísicos a restringir a chamada equação de estado das estrelas, que descreve as propriedades da matéria dentro de uma estrela de nêutrons e, portanto, dita seu raio. Como ninguém sabe exatamente o que é a equação de estado, a equipe de Huth e Pang percorreu 15.000 versões possíveis em sua modelagem, inserindo dados de várias estrelas de nêutrons giratórias conhecidas como pulsares, bem como observações de ondas gravitacionais de duas fusões entre dois nêutrons. estrelas. Isso incluiu a fusão conhecida como GW170817, que chegou às manchetes em 2017 quando foi detectada pelo detector de ondas gravitacionais LIGO e por telescópios que observavam comprimentos de onda em todo o espectro eletromagnético. Como tal, anunciou o alvorecer da astronomia multimensageira. 

O estudo mais recente levou a abordagem multimensageira ainda mais longe, incorporando informações de colisões entre íons de ouro acelerados quase à velocidade da luz. Essas colisões ocorrem em altas temperaturas e baixas densidades – ao contrário do espaço, onde as temperaturas são baixas, mas a densidade de objetos como estrelas de nêutrons é alta. Ao combinar os resultados de colisões em vários aceleradores de partículas (incluindo o GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research em Darmstadt, bem como o Lawrence Berkeley National Laboratory e o Brookhaven National Laboratory nos EUA) com observações astrofísicas, é possível começar a preencher a lacuna em nossa compreensão da matéria em ambientes extremos. 

“Como os dados de colisões de íons pesados usados em nossa análise nos dão informações sobre a região de densidade onde a teoria nuclear e as observações astrofísicas são menos sensíveis, isso nos fornece uma nova restrição [na equação de estado]”, diz Pang. 

Consequências do pós-brilho 

Os resultados também contribuem para a compreensão dos cientistas sobre o que acontece durante uma fusão de estrelas de nêutrons. Em tais eventos, duas estrelas de nêutrons orbitando em estreita proximidade gradualmente espiralam uma em direção à outra. À medida que começam a se fundir, a gravidade deforma sua forma. Essa deformação aparece nas ondas gravitacionais que emitem durante a fusão e depende da massa e do raio das estrelas de nêutrons. Uma estrela de nêutrons com um raio maior será menos compacta e terá gravidade mais fraca, o que pode afetar a quantidade de detritos ejetados pela fusão.

São esses detritos brilhantes que são detectáveis à luz como uma “quilonova”, então a quantidade de detritos e suas propriedades determinam quão visível será uma kilonova.

Nicolás Yunes, astrofísico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, EUA, que não esteve envolvido nas pesquisas mais recentes, mas que já usou observações multi-mensageiro para discernir propriedades da matéria de estrelas de nêutrons, acha que devemos antecipar mais esses resultados no futuro. “A astronomia multissenger é verdadeiramente transformadora e já está tendo um impacto em nossa compreensão do estado da matéria em densidades e pressões extremas”, diz ele.

Fonte: physicsworld.com