Um tom final 'puro' emitido após uma colisão de estrelas de nêutrons pode revelar seus interiores

Cientistas da Universidade Goethe de Frankfurt identificaram uma nova maneira de sondar o interior de estrelas de nêutrons usando ondas gravitacionais de suas colisões. Ao analisar a fase "long ringdown" — um sinal de tom puro emitido pelo remanescente pós-fusão — eles encontraram uma forte correlação entre as propriedades do sinal e a equação de estado da matéria da estrela de nêutrons. Seus resultados foram publicados recentemente na Nature Communications . 

O sinal emitido por duas estrelas de nêutrons em fusão assemelha-se ao de um diapasão. Crédito: L. Rezzolla/pixabay  

Estrelas de nêutrons, com uma massa maior do que a de todo o sistema solar confinadas dentro de uma esfera quase perfeita de apenas uma dúzia de quilômetros de diâmetro, estão entre os objetos astrofísicos mais fascinantes conhecidos pela humanidade. No entanto, as condições extremas em seus interiores tornam sua composição e estrutura altamente incertas.

A colisão de duas estrelas de nêutrons, como a observada em 2017, fornece uma oportunidade única para descobrir esses mistérios. Como estrelas de nêutrons binárias em espiral por milhões de anos, elas emitem ondas gravitacionais , mas a emissão mais intensa ocorre em e apenas milissegundos após o momento da fusão.

O remanescente pós-fusão — um objeto massivo e de rotação rápida formado pela colisão — emite ondas gravitacionais em uma faixa de frequência forte, mas estreita. Este sinal contém informações cruciais sobre a chamada "equação de estado" da matéria nuclear , que descreve como a matéria se comporta em densidades e pressões extremas.

O grupo do Prof. Luciano Rezzolla na Universidade Goethe de Frankfurt descobriu agora que, embora a amplitude do sinal da onda gravitacional pós-fusão diminua com o tempo, ele se torna cada vez mais "puro" — tendendo a uma única frequência, muito parecido com um diapasão gigante ressoando após ser atingido.

Eles chamaram essa fase de "long ringdown" e identificaram uma forte conexão entre suas características únicas e as propriedades das regiões mais densas nos núcleos de estrelas de nêutrons.

"Assim como diapasões de materiais diferentes terão tons puros diferentes, restos descritos por equações de estado diferentes soarão em frequências diferentes. A detecção desse sinal tem, portanto, o potencial de revelar do que as estrelas de nêutrons são feitas", diz Rezzolla.

"Estou particularmente orgulhoso deste trabalho, pois ele constitui uma evidência exemplar da excelência dos cientistas de Frankfurt e Darmstadt no estudo de estrelas de nêutrons, que têm sido o foco central do cluster de pesquisa ELEMENTS de Hesse."

Usando simulações relativísticas gerais avançadas de estrelas de nêutrons em fusão com equações de estado cuidadosamente construídas, os pesquisadores demonstraram que analisar o longo ringdown pode reduzir significativamente as incertezas na equação de estado em densidades muito altas, onde nenhuma restrição direta está disponível atualmente.

"Graças aos avanços na modelagem estatística e simulações de alta precisão nos supercomputadores mais poderosos da Alemanha, descobrimos uma nova fase do longo ringdown em fusões de estrelas de nêutrons", diz o Dr. Christian Ecker, primeiro autor do estudo, "Ele tem o potencial de fornecer novas e rigorosas restrições sobre o estado da matéria em estrelas de nêutrons. Esta descoberta abre caminho para uma melhor compreensão da matéria densa de estrelas de nêutrons, especialmente à medida que novos eventos são observados no futuro."

O coautor Dr. Tyler Gorda acrescenta: "Ao selecionar habilmente algumas equações de estado, fomos capazes de simular efetivamente os resultados de um conjunto estatístico completo de modelos de matéria com consideravelmente menos esforço. Isso não só resulta em menos tempo de computador e consumo de energia , mas também nos dá confiança de que nossos resultados são robustos e serão aplicáveis ​​a qualquer equação de estado que realmente ocorra na natureza."

Embora os detectores de ondas gravitacionais atuais ainda não tenham observado o sinal pós-fusão, os cientistas estão otimistas de que os detectores de próxima geração, como o Telescópio Einstein, que deve entrar em operação na Europa na próxima década, tornarão possível essa detecção tão esperada. 

Quando isso acontecer, o longo ringdown servirá como uma ferramenta poderosa para sondar os interiores enigmáticos das estrelas de nêutrons e revelar os segredos da matéria em seu extremo mais extremo.

Phys.org