No coração de cada estrela anã branca - o objeto estelar denso que permanece depois que uma estrela queimou sua reserva de combustível de gases ao se aproximar do fim de seu ciclo de vida - está um enigma quântico:conforme as anãs brancas adicionam massa, eles diminuem de tamanho, até que se tornem tão pequenos e compactados que não possam se sustentar, colapsando em uma estrela de nêutrons.

Esta relação intrigante entre a massa e o tamanho de uma anã branca, chamada de relação massa-raio, foi teorizado pela primeira vez pelo astrofísico vencedor do Prêmio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar na década de 1930. Agora, uma equipe de astrofísicos da Johns Hopkins desenvolveu um método para observar o fenômeno em si 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.

p Um relatório de suas descobertas, liderado por Hopkins sênior Vedant Chandra, está agora na imprensa em Astrophysical Journal e disponível online 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, deve ficar maior, "diz Nadia Zakamska, um professor associado do Departamento de Física e Astronomia que orientou os alunos pesquisadores. "A teoria existe há muito tempo, mas o que é notável é que o conjunto de dados que usamos é de tamanho e precisão sem precedentes. Esses métodos de medição, que em alguns casos foram desenvolvidos anos atrás, de repente funcionam muito melhor e essas velhas teorias podem finalmente ser investigadas. "

p A equipe obteve seus resultados usando uma combinação de medições, incluindo principalmente o efeito redshift gravitacional, que é a mudança dos comprimentos 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.

p "Para mim, a beleza deste trabalho é que todos nós aprendemos essas teorias sobre como a luz será afetada pela gravidade na escola e nos livros didáticos, mas agora vemos realmente essa relação nas próprias estrelas, "diz o estudante de graduação do quinto ano Hsiang-Chih Hwang, que propôs o estudo e primeiro reconheceu o efeito do desvio para o vermelho gravitacional nos dados.

A equipe também teve que levar em conta como o movimento de uma estrela através do espaço pode afetar a percepção de seu desvio para o vermelho gravitacional. Semelhante a como a 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 de efeito Doppler, e é essencialmente um "ruído" perturbador que complica a medição do efeito de desvio para o vermelho gravitacional, diz o colaborador do estudo Sihao Cheng, um estudante de graduação do quarto ano.

p Para contabilizar 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 para o vermelho de estrelas de tamanho semelhante, efetivamente determinando que não importa onde a própria estrela está localizada ou onde está se movendo em relação à Terra, pode-se esperar que tenha um desvio para o vermelho gravitacional intrínseco de um certo valor. Pense nisso como uma medição média de todos os passos de todos os carros de bombeiros se movendo em uma determinada área em um determinado momento - você pode esperar que qualquer carro de bombeiros, não importa em que direção está se movendo, terá um pitch intrínseco desse valor médio.

p Esses valores de deslocamento para o vermelho gravitacional intrínseco podem ser usados ​​para estudar estrelas que são observadas em conjuntos de dados futuros. 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 das anãs brancas.

Eles também dizem que seu estudo representa um avanço emocionante da teoria aos fenômenos observados.

p "Porque a estrela fica menor à medida que fica mais massiva, o efeito de deslocamento para o vermelho gravitacional também cresce com a massa, "Zakamska diz." E isso é um pouco mais fácil de compreender - é mais fácil sair de um ambiente menos denso, objeto maior do que sair de um objeto mais maciço, objeto mais compacto. E isso é exatamente o que vimos nos dados. "

p A equipe está até mesmo encontrando públicos cativos para suas pesquisas em casa - onde realizaram seu trabalho em meio à pandemia de coronavírus.

p "A maneira como eu elogiei meu avô é, você está basicamente vendo a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein se unindo para produzir este resultado, "Chandra diz." Ele ficou muito animado quando eu coloquei dessa forma. "