Uma equipe de pesquisa internacional liderada por membros do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) obteve novas medidas de quão grandes são as estrelas de nêutrons. Para fazer isso, eles combinaram uma descrição geral dos primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria estelar de nêutrons com observações de vários informações da fusão binária de estrelas de nêutrons GW170817.
Seus resultados, que apareceram hoje na Nature Astronomy, são mais rigorosos por um fator de dois que os limites anteriores e mostram que uma estrela de nêutrons típica tem um raio próximo de 11 quilômetros. Eles também descobriram que estrelas de nêutrons que se fundem com buracos negros são, na maioria dos casos, provavelmente engolidas inteiras, a menos que o buraco negro seja pequeno e / ou gire rapidamente. Isso significa que, embora essas fusões possam ser observáveis ??como fontes de ondas gravitacionais, elas seriam invisíveis no espectro eletromagnético.
“As fusões binárias de estrelas de nêutrons são uma mina de ouro de informações!” diz Collin Capano, pesquisador da AEI Hannover e principal autor do estudo Nature Astronomy. “As estrelas de nêutrons contêm a matéria mais densa do universo observável. Na verdade, são tão densas e compactas que você pode pensar em toda a estrela como um único núcleo atômico, dimensionado para o tamanho de uma cidade. Medindo esses objetos” propriedades, aprendemos sobre a física fundamental que governa a matéria no nível subatômico “.
“Descobrimos que a estrela típica de nêutrons, que é cerca de 1,4 vezes mais pesada que o nosso Sol, tem um raio de 11 quilômetros”, diz Badri Krishnan, que lidera a equipe de pesquisa da AEI Hannover. “Nossos resultados limitam o raio a estar entre 10,4 e 11,9 quilômetros. Esse é um fator dois mais rigoroso que os resultados anteriores”.
Fusões binárias de estrelas de nêutrons como tesouro astrofísico
Estrelas de nêutrons são restos compactos e extremamente densos de explosões de supernovas. Eles são do tamanho de uma cidade com até o dobro da massa do nosso Sol. Não se sabe como se comporta a matéria extremamente densa e rica em nêutrons, e é impossível criar essas condições em qualquer laboratório da Terra. Os físicos propuseram vários modelos (equações de estado), mas não se sabe qual (se houver) desses modelos descreve corretamente a matéria estelar de nêutrons na natureza.
As fusões de estrelas binárias de nêutrons – como GW170817, observadas em ondas gravitacionais e todo o espectro eletromagnético em agosto de 2017 – são os eventos astrofísicos mais empolgantes quando se trata de aprender mais sobre a matéria em condições extremas e a física nuclear subjacente. A partir disso, os cientistas podem, por sua vez, determinar propriedades físicas das estrelas de nêutrons, como raio e massa.
A equipe de pesquisa usou um modelo baseado em uma descrição dos primeiros princípios de como as partículas subatômicas interagem nas altas densidades encontradas nas estrelas de nêutrons. Notavelmente, como mostra a equipe, cálculos teóricos em escalas de comprimento inferiores a um trilionésimo de milímetro podem ser comparados com observações de um objeto astrofísico a mais de cem milhões de anos-luz de distância.
“É um pouco incompreensível”, diz Capano. “O GW170817 foi causado pela colisão de dois objetos do tamanho de uma cidade há 120 milhões de anos, quando dinossauros estavam andando por aqui na Terra. Isso aconteceu em uma galáxia a um bilhão de trilhões de quilômetros de distância. A partir disso, obtivemos informações sobre a física subatômica. . ”
Qual é o tamanho de uma estrela de nêutrons?
A descrição dos primeiros princípios usada pelos pesquisadores prevê uma família inteira de possíveis equações de estado para estrelas de nêutrons, derivadas diretamente da física nuclear. Dessa família, os autores selecionaram os membros com maior probabilidade de explicar diferentes observações astrofísicas; eles escolheram modelos
que concordam com as observações de ondas gravitacionais de GW170817 de dados públicos do LIGO e Virgo, que produzem uma estrela de nêutrons hipermassas de vida curta como resultado da fusão, e que concordam com as restrições conhecidas na massa máxima de estrelas de nêutrons das observações eletromagnéticas de GW170817.
Isso não apenas permitiu aos pesquisadores obter informações robustas sobre a física da matéria densa, mas também obter os limites mais rigorosos do tamanho das estrelas de nêutrons até o momento.
Observações futuras de ondas gravitacionais e astrofísica multi-mensageira
“Esses resultados são empolgantes, não apenas porque conseguimos melhorar imensamente as medições dos raios das estrelas de nêutrons, mas porque nos dá uma janela para o destino final das estrelas de nêutrons na fusão de binários”, diz Stephanie Brown, coautora da publicação e um Ph.D. aluno da AEI Hannover. Os novos resultados sugerem que, com um evento como o GW170817, os detectores LIGO e Virgo com sensibilidade de projeto poderão distinguir facilmente, apenas das ondas gravitacionais, se duas estrelas de nêutrons ou dois buracos negros se fundiram. Para GW170817, as observações no espectro eletromagnético foram cruciais para fazer essa distinção.
A equipe de pesquisa também descobriu que, para binários mistos (uma estrela de nêutrons se fundindo com um buraco negro), apenas as observações de fusão de ondas gravitacionais terão dificuldade em distinguir esses eventos dos buracos negros binários. Observações no espectro eletromagnético ou ondas gravitacionais após a fusão serão cruciais para diferenciá-las.
No entanto, os novos resultados também implicam que é improvável que ocorram observações multi-messenger de fusões binárias mistas. “Mostramos que em quase todos os casos a estrela de nêutrons não será dilacerada pelo buraco negro e engolida inteira”, explica Capano. “Somente quando o buraco negro é muito pequeno ou gira rapidamente, ele pode perturbar a estrela de nêutrons antes de engoli-la; e só então podemos esperar ver algo além das ondas gravitacionais”.
Um futuro brilhante pela frente
Na próxima década, os detectores de ondas gravitacionais existentes se tornarão ainda mais sensíveis, e detectores adicionais começarão a ser observados. A equipe de pesquisa espera detecções de ondas gravitacionais mais altas e possíveis observações multi-mensageiros da fusão de estrelas binárias de nêutrons. Cada uma dessas fusões proporcionaria oportunidades maravilhosas para aprender mais sobre a estrela de nêutrons e a física nuclear.
Publicado em 16/03/2020 05h40
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: