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Maior estrela de nêutrons já observada surpreende astrônomos

A J0740 + 6620 é tão massiva que está no limite de se tornar um buraco negro

Representação artística do “atraso de Shapiro”, quando o pulso de uma estrela de nêutrons é atrasado pela deformação do espaço causada pela gravidade da anã branca. Crédito: BSaxton, NRAO/AUI/NSF

As estrelas de nêutrons — os remanescentes compactos de estrelas massivas que se tornaram supernovas — são os objetos “normais” mais densos do Universo conhecido (tecnicamente, buracos negros são mais densos, mas estão longe de serem normais). Um único cubo de açúcar feito com o material de uma estrela de nêutrons pesaria 100 milhões de toneladas aqui na Terra — aproximadamente o mesmo que toda a população humana combinada. Embora astrônomos e físicos venham estudando e se maravilhando com esses objetos há décadas, muitos mistérios ainda restam sobre a natureza de seus núcleos. Os nêutrons lá se tornam “superfluidos” e fluem livremente ao serem esmagados? Eles se decompõem em uma sopa de quarks subatômicos ou em outras partículas exóticas? Qual é o ponto limite, ou seja, quando a gravidade vence a matéria e forma um buraco negro?

Uma equipe de astrônomos pode ter se aproximado mais dessas respostas, usando o Green Bank Telescope (GBT) da National Science Foundation (NSF).

Os pesquisadores, membros do NANOGrav Physics Frontiers Center, descobriram que um pulsar de milissegundo de rotação rápida, chamado J0740 + 6620, é a estrela de nêutrons mais massiva já medida, acumulando 2,17 vezes a massa de nosso Sol em uma esfera com apenas 30 quilômetros de diâmetro. Esses valores aproximam-se dos limites de quão grande e compacto um único objeto pode ser sem se transformar em um buraco negro. Trabalhos recentes envolvendo ondas gravitacionais observadas pela colisão de estrelas de nêutrons, detectadas pelo observatório LIGO, sugerem que o valor de 2,17 massas solares pode estar muito próximo desse limite.

“Estrelas de nêutrons são tão misteriosas quanto fascinantes”, diz Thankful Cromartie, pós- graduanda da Universidade da Virgínia e pré-doutoranda no Observatório Nacional de Astronomia de Rádio em Charlottesville, Virgínia. “Esses objetos com tamanho de cidades são essencialmente núcleos atômicos gigantescos. Eles são tão grandes que seus interiores adquirem propriedades estranhas. Encontrar o valor máximo de massa permitido pela física e pela natureza pode nos ensinar muito sobre esse campo inacessível da astrofísica”.

Pulsares recebem esse nome por causa dos raios duplos de ondas de rádio que emitem de seus polos magnéticos. Esses feixes varrem o espaço de maneira semelhante a um farol. Alguns deles giram centenas de vezes a cada segundo. Como os pulsares giram com velocidade e regularidade fenomenais, os astrônomos podem usá-los como os equivalentes cósmicos dos relógios atômicos. Essa precisa cronometragem ajuda os astrônomos a estudar a natureza do espaço-tempo, medir as massas de objetos estelares e melhorar a compreensão da relatividade geral.

No caso do sistema binário em questão — formado pela estrela de nêutrons e uma anã branca — essa precisão cósmica forneceu um caminho para que os astrônomos calculassem a massa das duas estrelas.

Quando o pulsar passa por trás de sua companheira anã branca em relação à Terra, há um atraso sutil (da ordem de 10 milionésimos de segundo) no tempo de chegada dos sinais. Esse fenômeno é conhecido como “atraso de Shapiro”. Em essência, a gravidade da estrela anã branca distorce levemente o espaço ao seu redor, como postula a teoria geral da relatividade de Einstein. Essa distorção significa que os pulsos da estrela rotativa de nêutrons precisam se deslocar um pouco mais longe, desviando das distorções do espaço-tempo causadas pela anã branca.

Astrônomos podem usar a quantidade desse atraso para calcular a massa da anã branca. Uma vez conhecida a massa de um dos corpos que se co-orbitam, é um processo relativamente simples determinar a massa do outro com precisão.

Cromartie é a principal autora de um artigo aceito para publicação na revista Nature Astronomy. As observações do GBT foram pesquisas relacionadas à sua tese de doutorado, que propunha observar esse sistema em dois pontos especiais nas suas órbitas mútuas, a fim de calcular com precisão a massa da estrela de nêutrons.

“A orientação desse sistema estelar binário criou um laboratório cósmico fantástico”, diz Scott Ransom, astrônomo da NRAO e coautor do artigo. “As estrelas de nêutrons têm esse ponto de inflexão, onde suas densidades interiores são tão extremas que a força da gravidade supera até a capacidade dos nêutrons de resistir a um colapso adicional. Cada nova estrela de nêutrons ‘mais massiva até então’ que encontramos nos aproxima mais da identificação desse ponto de inflexão, e nos ajuda entender a física da matéria nessas densidades surpreendentes. “

Observatório Green Bank