Ondas gravitacionais ajudam revelar o limite de massa de estrelas de nêutrons, os corpos mais densos no Cosmos

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Imagem: Mark Garlick.

Por Adrian Cho
Publicado na Science

Qual o máximo de massa que uma estrela de nêutrons pode ter? Astrofísicos vêm a longa data se perguntado como esses maciços cadáveres estelares conseguem não se colapsar e virar um buraco negro. No ano passado, obtivemos um grande sucesso ao observar duas estrelas de nêutrons se fundindo e mostrando um colapso à medida que ele acontece, possibilitando, assim, que quatro grupos diferentes observassem esse marco histórico nos estudos de um objeto extremamente maciço — aproximadamente 2.2 vezes a massa do Sol.

“Estou confiante que todos eles concordem”, disse James Lattimer, um astrofísico nuclear da State University of New York em Stony Brook. Um limitador de massa sólida para estrelas de nêutrons ajudará os teóricos a entenderem esse misterioso objeto. “De todas as características de uma estrela de nêutrons, a mais importante é a massa máxima e o seu raio”, disse Lattimer.

Uma estrela que está morrendo pode ter um, de três possíveis fins sequência principal, após sua vida. Uma estrela com pouca massa encolhe até se transformar numa anã branca, uma esfera de carbono do tamanho da Terra. Uma estrela muito pesada se colapsa num único ponto infinitesimal até se transformar em buraco negro. Uma estrela média —com 8 a 25 massas solares — também explode, porém, deixa para atrás uma fantástica e densa esfera de praticamente somente de nêutrons que mede cerca de dezenas de quilômetros de distância: uma estrela de nêutrons.

À medida que as estrelas de nêutrons se espiralavam, os detectores de ondas gravitacionais nos Estados Unidos e na Itália sentiam ondulações no espaço gerados pelos corpos giratórios. As ondas permitiram que os físicos calculassem sua massa, que é em torno de 2,73 massas solares. Dois segundos após as ondas gravitacionais, telescópios em órbita detectaram uma curta e poderosa erupção de raios gamas. Telescópios em Terra o brilho remanescente do evento, que desvaneceu durante vários dias, de azul brilhante a vermelho intenso.

Juntas, as evidencias sugerem que a fusão produziu, pela primeira vez, uma estrela de nêutrons girante, pesada e momentaneamente apoiada pela força centrífuga. O brilho remanescente mostra que a fusão ejetou no espaço entre 0,1 a 0,2 massas solares de elementos radioativos recém-formados, mais do que poderia escapar de um buraco negro.

O material ejetado, inicialmente, azulado, mostra que, em um primeiro momento, não estavam presentes os elementos pesados chamado de Lantanídeos. Um fluxo de partículas chamadas de neutrinos, presumidamente, retardou a formação desses elementos, e a estrela de nêutron irradiou neutrinos abundantemente. A grande e rápida erupção de raios gamas, o suposto “choro do nascimento de um buraco negro”, indica que a estrela de nêutron resultante da fusão colapsou em segundos.

Para auferir o limite de massa, as equipes mergulharam no detalhe da estrela de nêutrons girar. Eles geralmente argumentam que, no início, as camadas externas da estrela combinada giraram mais rápido que o núcleo. Em seguida, ejetou seu material e diminuiu sua velocidade de giro para formar um corpo rígido em rotação cuja massa os pesquisadores puderam calcular a partir das massas das estrelas menos a massa perdida. O fato de que essa estrela de nêutrons rodopiante sobreviveu apenas momentaneamente sugere que o valor de sua massa estava próximo de um limite de giro.

Esta última dedução é essencial, diz Rezzolla. A hipótese sugere que a massa de uma girante e rígida estrela de nêutrons pode exceder a de uma estrela estacionária em até 18%, diz ele.

Esse dimensionamento permite aos pesquisadores inferir a massa máxima de uma estrela de nêutrons estacionária e estável. Essa alegação funciona por que as estrelas de nêutrons iniciais não eram maciças o bastante que fariam elas se transformarem, imediatamente, em um buraco negro, ou leve o bastante que fariam seus giros bem mais demorado, disse Shibata. “Esse foi um evento de muita sorte”, disse ele.

As análises são convincentes, diz Lattimer, embora ele tenha uma pequena objeção nas precisões implícitas nos números, tal como o 2,17 massas solares. “Se você disser 2,2 mais ou menos um décimo eu pensaria que [os números] se fizeram entender”.

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