No coração de toda estrela anã branca – o denso objeto estelar que permanece depois que uma estrela queima sua reserva de combustível quando se aproxima do final de seu ciclo de vida – existe um enigma quântico: à medida que as anãs brancas adicionam massa, elas se encolhem. tamanho, até que se tornem tão pequenos e compactados que não possam se sustentar, colapsando em uma estrela de nêutrons.
Essa relação intrigante entre a massa e o tamanho de uma anã branca, chamada de relação raio de massa, foi teorizada pelo astrofísico vencedor do Prêmio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar na década de 1930. Agora, uma equipe de astrofísicos de Johns Hopkins desenvolveu um método para observar o próprio fenômeno usando dados astronômicos coletados pelo Sloan Digital Sky Survey e um conjunto de dados recente divulgado pelo Gaia Space Observatory. Os conjuntos de dados combinados forneceram mais de 3.000 anãs brancas para a equipe estudar.
Um relatório de suas descobertas, liderado pelo Vedant Chandra, da Hopkins, está agora publicado no Astrophysical Journal e disponível on-line no arXiv.
“A relação massa-raio é uma combinação espetacular de mecânica quântica e gravidade, mas é contra-intuitivo para nós – pensamos que, à medida que um objeto ganha massa, ele deve aumentar”, diz Nadia Zakamska, professora associada do Departamento de Física e Astronomia que supervisionou os estudantes pesquisadores. “A teoria existe há muito tempo, mas o que é notável é que o conjunto de dados que usamos é de tamanho sem precedentes e precisão sem precedentes. Esses métodos de medição, que em alguns casos foram desenvolvidos anos atrás, de repente funcionam muito melhor e esses teorias antigas podem finalmente ser sondadas “.
A equipe obteve seus resultados usando uma combinação de medidas, incluindo principalmente o efeito gravitacional do desvio para o vermelho, que é a alteração do comprimento de onda da luz de azul para vermelho à medida que a luz se afasta de um objeto. É um resultado direto da teoria da relatividade geral de Einstein.
“Para mim, a beleza deste trabalho é que todos aprendemos essas teorias sobre como a luz será afetada pela gravidade na escola e nos livros didáticos, mas agora vemos esse relacionamento nas próprias estrelas”, diz Hsiang, estudante do quinto ano. -Chih Hwang, que propôs o estudo e primeiro reconheceu o efeito do desvio para o vermelho gravitacional nos dados.
A equipe também teve que explicar como o movimento de uma estrela no espaço poderia afetar a percepção de seu desvio para o vermelho gravitacional. Similar à maneira como uma sirene de um carro de bombeiros muda de tom de acordo com seu movimento em relação à pessoa que está ouvindo, as frequências de luz também mudam dependendo do movimento do objeto emissor de luz em relação ao observador. Isso é chamado efeito Doppler e é essencialmente um “ruído” perturbador que complica a medição do efeito do desvio para o vermelho gravitacional, diz o colaborador do estudo Sihao Cheng, um estudante de quarto ano.
Para explicar as variações causadas pelo efeito Doppler, a equipe classificou as anãs brancas em sua amostra definida por raio. Eles então calcularam a média dos desvios de estrelas de tamanho semelhante, determinando efetivamente que, não importa onde uma estrela esteja localizada ou se mova em relação à Terra, pode-se esperar que ela tenha um desvio para o vermelho gravitacional intrínseco de um determinado valor. Pense nisso como uma medição média de todos os arremessos de todos os carros de bombeiros que se movimentam em uma determinada área em um determinado momento – você pode esperar que qualquer carro de bombeiros, independentemente da direção em que esteja se movendo, tenha um arremesso intrínseco dessa média valor.
Esses valores intrínsecos do desvio para o vermelho gravitacional podem ser usados para estudar estrelas observadas em futuros conjuntos de dados. Os pesquisadores dizem que os próximos conjuntos de dados maiores e mais precisos permitirão um ajuste mais fino de suas medições, e que esses dados podem contribuir para a análise futura da composição química da anã branca.
Eles também dizem que seu estudo representa um emocionante avanço da teoria para os fenômenos observados.
“Como a estrela fica menor à medida que se torna mais maciça, o efeito gravitacional do desvio para o vermelho também cresce com a massa”, diz Zakamska. “E isso é um pouco mais fácil de entender – é mais fácil sair de um objeto maior e menos denso do que sair de um objeto mais massivo e mais compacto. E foi exatamente isso que vimos nos dados”.
A equipe está até encontrando públicos cativos para suas pesquisas em casa – onde eles conduziram seu trabalho em meio à pandemia de coronavírus.
“O jeito que eu exaltei isso para meu avô é que você basicamente vê a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein se unindo para produzir esse resultado”, diz Chandra. “Ele ficou muito animado quando eu disse dessa maneira.”
Publicado em 03/08/2020 07h20
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