Equações validadas por brasileiros ajudarão a investigar colisões de estrelas de nêutrons

Ilustração de estrelas de nêutrons colidindo e gerando ondas gravitacionais. Créditos: Robin Dienel.

Por Igor Zolnerkevic 
Publicado na Sociedade Brasileira de Física

Em 2017, astrofísicos observaram as ondas eletromagnéticas e gravitacionais emitidas na fusão de duas estrelas de nêutrons colidindo. Mais eventos como esse devem ser registrados na nova rodada de observações dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO, iniciada em abril deste ano. As ondas gravitacionais emitidas nessas colisões guardam informações sobre propriedades desconhecidas da matéria em densidades e temperaturas extremas. Para extrair essas informações, os pesquisadores devem comparar as observações com o resultado de simulações computacionais realistas da dinâmica de fluidos viscosos seguindo os princípios da teoria da relatividade geral de Einstein. Ninguém sabia, porém, quais seriam as equações corretas a serem utilizadas nessas simulações. Agora, em artigo publicado dia 7 de junho na Physical Review Letters, físicos brasileiros garantiram matematicamente que as equações da chamada teoria de Israel-Stewart podem resolver o problema.

“Na relatividade geral, a nossa melhor descrição dos fenômenos gravitacionais, a gravidade não é concebida como uma força no sentido da teoria newtoniana, mas sim como uma manifestação da curvatura do espaço-tempo”, explica um dos autores do novo estudo, o físico Marcelo Disconzi, da Universidade Vanderbilt, Estados Unidos.  A colaboração com os físicos Fábio Bemfica, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, e Jorge Noronha, da Universidade de São Paulo, apresentou pela primeira vez uma prova matemática de que as equações de Israel-Stewart respeitam o princípio da causalidade, o fato de que nenhuma informação pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. A prova assume condições físicas bastante gerais, incluindo os extremos de temperatura, densidade e o espaço-tempo conturbado de uma colisão de estrelas de nêutrons.

Já se sabia que as equações desenvolvidas nos anos 1970 pelos físicos Werner Israel e John Stewart descrevem a dinâmica de fluidos viscosos na relatividade geral, mas apenas em condições especiais, em que as equações da dinâmica do fluido e do espaço-tempo poderiam ser aproximadas por equações lineares ao redor de um estado constante. A teoria de Israel-Stewart é amplamente utilizada, por exemplo, pelos físicos que estudam o plasma de quark e glúons, um estado exótico da matéria gerado durante a colisão de íons pesados no acelerador de partículas LHC. A prova mais geral da validade dessas equações pelo trio de físicos brasileiros também ajudará a compreender melhor o plasma de quarks e glúons.

Bemfica e Disconzi realizaram o estudo, cada um com apoio de uma Discovery Grant, da Universidade Vanderbilt. Disconzi também recebeu suporte de uma Sloan Research Fellowship, da Alfred P. Sloan Foundation e da National Science Foundation, Estados Unidos. Noronha participou com apoio da FAPESP e do CNPq.

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