Estabelecido o limite máximo para a massa das estrelas de neutrões

Uma equipa de astrofísicos da Universidade Goethe de Frankfurt estabeleceu um novo limite máximo para a massa das estrelas de neutrões: não podem exceder as 2,16 massas solares.

Desde que as estrelas de neutrões foram descobertas, na década de 1960, que os cientistas procuravam responder à importante questão: quão massivas se podem tornar estas estrelas? Ao contrário dos buracos negros, não podem ganhar massa arbitrariamente; ultrapassado um certo limite, não há força física na natureza que possa fazer frente à sua enorme força gravitacional. Mas, pela primeira vez, um grupo de astrofísicos conseguiu calcular um limite superior rigoroso para a massa das estrelas de neutrões.

Com um raio aproximado de 12 quilómetros e uma massa que pode ser duas vezes maior que a do Sol, as estrelas de neutrões estão entre os objetos mais densos do Universo, produzindo campos gravitacionais comparáveis ​​aos dos buracos negros. A maioria das estrelas de neutrões tem cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, contudo, são também conhecidos exemplos massivos, como o pulsar PSR J0348+0432, com 2,01 massas solares.

A densidade destas estrelas é enorme, como se toda a cordilheira dos Himalaias estivesse comprimida numa caneca de cerveja. No entanto, há indicações de que uma estrela de neutrões com massa máxima entraria em colapso, transformando-se num buraco negro, apenas com a adição de um simples neutrão.

O professor Luciano Rezzolla, físico, investigador do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt (FIAS) e professor de Astrofísica Teórica da Universidade Goethe de Frankfurt, em conjunto com os seus alunos Elias Most e Lukas Weih, resolveu o problema que permanecia sem resposta há 40 anos: com uma precisão de alguns pontos percentuais, a massa máxima das estrelas de neutrões não rotativas não pode exceder as 2,16 massas solares.

A base para este resultado foi uma abordagem de “relações universais” desenvolvida há alguns anos em Frankfurt. A existência de “relações universais” implica que praticamente todas as estrelas de neutrões sejam parecidas, o que significa que as suas propriedades podem ser expressas em termos de valores adimensionais. Os investigadores combinaram estas “relações universais” com dados de sinais de ondas gravitacionais e a subsequente radiação eletromagnética (kilonova) obtidos no ano passado, durante a observação da fusão de duas estrelas de neutrões, no quadro da experiência LIGO. Isto simplifica tremendamente os cálculos porque os torna independentes da equação de estado. Esta equação é um modelo teórico para descrever a matéria densa dentro de uma estrela que fornece informações sobre a sua composição a vários níveis de profundidade. A relação universal desempenhou assim um papel essencial na definição da nova massa máxima.

O resultado é um bom exemplo da interação entre a investigação teórica e a experimental. “A beleza da teoria é que pode fazer previsões. Precisa, no entanto, desesperadamente da experiência para reduzir algumas das suas incertezas,” disse o professor Rezzolla. “Posto isto, é extraordinário que a observação da fusão de um único binário de estrelas de neutrões, que ocorreu a milhões de anos-luz de distância, combinada com as relações universais descobertas através de trabalho teórico nos tenha permitido resolver um enigma que tanta especulação viu no passado.”

Os resultados da investigação foram publicados na revista Astrophysical Journal. Poucos dias depois, grupos de investigadores dos EUA e do Japão confirmaram as descobertas, seguindo abordagens diferentes e independentes.

Espera-se que a astronomia de ondas gravitacionais observe mais eventos deste tipo no futuro próximo, tanto em termos de sinais de ondas gravitacionais como de outros. Isto irá reduzir ainda mais a incerteza no valor da massa máxima e levará a uma melhor compreensão da matéria sob condições extremas.

Fonte da notícia: Phys.org