As estrelas de nêutrons são os objetos mais densos do nosso universo, com uma massa maior que a do nosso Sol compactado em uma esfera relativamente pequena cujo diâmetro é comparável ao de uma cidade média. Esta é realmente apenas uma estimativa aproximada, no entanto. Por mais de 40 anos, a determinação do tamanho das estrelas de nêutrons tem sido um santo graal na física nuclear cuja solução forneceria informações importantes sobre o comportamento fundamental da matéria nas densidades nucleares.
Os dados da detecção de ondas gravitacionais resultantes da fusão de estrelas de nêutrons (GW170817) deram uma importante contribuição para a solução deste enigma. No final de 2017, o professor Luciano Rezzolla, do Instituto de Física Teórica da Universidade de Goethe em Frankfurt e do FIAS, juntamente com seus alunos Elias Most e Lukas Weih exploraram esses dados para responder a uma longa pergunta sobre a massa máxima que estrelas de nêutrons podem suportar antes de desmoronar para um buraco negro - um resultado que também foi confirmado por vários outros grupos ao redor do mundo. Após este primeiro resultado importante, a mesma equipe, com a ajuda do professor Juergen Schaffner-Bielich, trabalhou para estabelecer restrições mais justas ao tamanho das estrelas de nêutrons.
O cerne da questão é que a equação de estado que descreve a matéria dentro de estrelas de nêutrons não é conhecida. Os físicos, portanto, decidiram seguir um outro caminho: selecionaram métodos estatísticos para determinar o tamanho das estrelas de nêutrons dentro de limites estreitos. Para estabelecer os novos limites, eles computaram mais de dois bilhões de modelos teóricos de estrelas de nêutrons resolvendo as equações de Einstein descrevendo o equilíbrio dessas estrelas relativísticas e combinando este grande conjunto de dados com as restrições advindas da detecção das ondas gravitacionais de GW170817.
"Uma abordagem desse tipo não é incomum na física teórica", observa Rezzolla, acrescentando: "Ao explorar os resultados de todos os valores possíveis dos parâmetros, podemos efetivamente reduzir nossas incertezas". Como resultado, os pesquisadores foram capazes de determinar o raio de uma estrela de nêutrons típica dentro de uma faixa de apenas 1,5 km: ela fica entre 12 e 13,5 quilômetros, um resultado que pode ser ainda mais refinado por futuras detecções de ondas gravitacionais.
"No entanto, há uma reviravolta em tudo isso, já que as estrelas de nêutrons podem ter soluções gêmeas", comenta Schaffner-Bielich. É de fato possível que, em densidades ultra-altas, a matéria mude drasticamente suas propriedades e passe a ser chamada de "transição de fase".
Isto é semelhante ao que acontece quando a água congela e passa do estado líquido para sólido. No caso das estrelas de nêutrons, especula-se que essa transição transforme a matéria comum em "matéria quark", produzindo estrelas que terão exatamente a mesma massa que sua "estrela" de nêutrons, mas que será muito menor e consequentemente mais compacta.
Embora não haja uma prova definitiva de sua existência, elas são soluções plausíveis e os pesquisadores de Frankfurt levaram em conta essa possibilidade, apesar das complicações adicionais que as estrelas gêmeas implicam. Este esforço acabou por compensar, uma vez que os seus cálculos revelaram um resultado inesperado: as estrelas gêmeas são estatisticamente raras e não podem ser deformadas muito durante a fusão de duas dessas estrelas.
Esta é uma descoberta importante, pois agora permite que os cientistas descartem potencialmente a existência desses objetos muito compactos. As futuras observações de ondas gravitacionais revelarão se as estrelas de nêutrons têm ou não gêmeos exóticos.
Fonte: Space Daily via Goethe University Frankfurt
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