Uma equipe de pesquisa internacional liderada por membros do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) obteve novas medições do tamanho das estrelas de nêutrons. Para fazer isso, eles combinaram uma descrição geral de primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria estelar de nêutrons com observações de multimensageiros da fusão de estrelas de nêutrons binárias GW170817. Seus resultados, que apareceu em Astronomia da Natureza hoje, são mais rigorosos por um fator de dois do que os limites anteriores e mostram que uma estrela de nêutrons típica tem um raio próximo a 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 em rotação rápida. Isso significa que, embora tais fusões possam ser observáveis ​​como fontes de ondas gravitacionais, eles seriam invisíveis no espectro eletromagnético.

"As fusões de estrelas de nêutrons binários são uma mina de ouro de informações!" diz Collin Capano, pesquisador da AEI Hannover e autor principal do Astronomia da Natureza estude. "As estrelas de nêutrons contêm a matéria mais densa do universo observável. Na verdade, eles são tão densos e compactos, que você pode pensar na estrela inteira como um único núcleo atômico, dimensionado para o tamanho de uma cidade. Ao medir as propriedades desses objetos, aprendemos sobre a física fundamental que governa a matéria no nível subatômico. "

"Descobrimos que a estrela de nêutrons típica, que é cerca de 1,4 vezes mais pesado que o nosso Sol tem um raio de cerca de 11 quilômetros, "diz Badri Krishnan, que lidera a equipe de pesquisa do AEI Hannover. "Nossos resultados limitam o raio provavelmente entre 10,4 e 11,9 quilômetros. Este é um fator de dois mais rigoroso do que os resultados anteriores."

Fusão de estrelas de nêutrons binários como um tesouro astrofísico

Estrelas de nêutrons são compactas, resquícios extremamente densos de explosões de supernova. Eles têm o tamanho de uma cidade com até duas vezes a massa do nosso sol. Como os ricos em nêutrons, matéria extremamente densa se comporta é desconhecida, e é impossível criar tais condições em qualquer laboratório na Terra. Os físicos propuseram vários modelos (equações de estado), mas não se sabe qual (se algum) desses modelos descreve corretamente a matéria da estrela de nêutrons na natureza.

Fusões de estrelas de nêutrons binárias, como GW170817, que foi observado em ondas gravitacionais e todo o espectro eletromagnético em agosto de 2017 - são os eventos astrofísicos mais emocionantes 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 as propriedades físicas das estrelas de nêutrons, como seu raio e massa.

A equipe de pesquisa usou um modelo baseado em uma descrição de primeiros princípios de como as partículas subatômicas interagem nas altas densidades encontradas dentro das estrelas de nêutrons. Notavelmente, como mostra a equipe, cálculos teóricos em escalas de comprimento menores que 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." GW170817 foi causado pela colisão de dois objetos do tamanho de uma cidade há 120 milhões de anos, quando os dinossauros andavam por aqui na Terra. Isso aconteceu em uma galáxia a um bilhão de trilhões de quilômetros de distância. A partir desse, nós ganhamos uma visão da física subatômica. "

Qual 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, que são diretamente derivados da física nuclear. Desta família, os autores selecionaram os membros com maior probabilidade de explicar as diferentes observações astrofísicas; eles escolheram modelos

• que concorda com as observações de ondas gravitacionais de GW170817 a partir de dados públicos do LIGO e de Virgem,
• que produzem uma estrela de nêutrons hiper-massiva de vida curta como resultado da fusão, e
• que concorda com as restrições conhecidas na massa máxima da estrela de nêutrons a partir de observações de contrapartida eletromagnética de GW170817.

Isso não só permitiu que os pesquisadores derivassem informações robustas sobre a física da matéria densa, mas também para obter os limites mais rígidos sobre o tamanho das estrelas de nêutrons até o momento.

Observações futuras de ondas gravitacionais e multi-mensageiro

"Esses resultados são empolgantes, não apenas porque temos sido capazes de melhorar amplamente as medições do raio da estrela de nêutrons, mas porque nos dá uma janela para o destino final das estrelas de nêutrons na fusão de binários, "diz Stephanie Brown, co-autor da publicação e Ph.D. aluno da AEI Hannover. Os novos resultados implicam que, com um evento como GW170817, os detectores LIGO e Virgo com sensibilidade de design serão capazes de distinguir facilmente, das ondas gravitacionais sozinhas, se duas estrelas de nêutrons ou dois buracos negros se fundiram. Para GW170817, 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), As observações de fusão de ondas gravitacionais por si só terão dificuldade em distinguir tais eventos de buracos negros binários. As observações no espectro eletromagnético ou ondas gravitacionais após a fusão serão cruciais para diferenciá-los.

Contudo, Acontece que os novos resultados também implicam que as observações de múltiplos mensageiros de fusões binárias mistas são improváveis ​​de acontecer. "Mostramos que em quase todos os casos a estrela de nêutrons não será dilacerada pelo buraco negro e, em vez disso, engolida inteira, "explica Capano." Somente quando o buraco negro é muito pequeno ou está girando rapidamente, pode interromper a estrela de nêutrons antes de engoli-la; e só então podemos esperar ver qualquer coisa 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 observar. A equipe de pesquisa espera mais detecções de ondas gravitacionais muito altas e possíveis observações de múltiplos mensageiros de estrelas de nêutrons binárias em fusão. Cada uma dessas fusões proporcionaria oportunidades maravilhosas de aprender mais sobre estrelas de nêutrons e física nuclear.