Uma estrela densa e colapsada girando 707 vezes por segundo - tornando-se uma das estrelas de nêutrons mais rápidas da Via Láctea - destruiu e consumiu quase toda a massa de sua companheira estelar e, no processo, cresceu e se tornou a estrela de nêutrons mais pesada observado até hoje.
Pesar esta estrela de nêutrons, que está no topo dos gráficos com 2,35 vezes a massa do Sol, ajuda os astrônomos a entender o estranho estado quântico da matéria dentro desses objetos densos, que – se ficarem muito mais pesados ​​do que isso – colapsam completamente e desaparecem à medida que um buraco negro.

"Sabemos mais ou menos como a matéria se comporta em densidades nucleares, como no núcleo de um átomo de urânio", disse Alex Filippenko, distinto professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley. “Uma estrela de nêutrons é como um núcleo gigante, mas quando você tem uma massa solar e meia desse material, que é cerca de 500.000 massas terrestres de núcleos todos grudados, não está claro como eles se comportarão”.

Roger W. Romani, professor de astrofísica da Universidade de Stanford, observou que as estrelas de nêutrons são tão densas – 1 polegada cúbica pesa mais de 10 bilhões de toneladas – que seus núcleos são a matéria mais densa do universo, com exceção dos buracos negros, que por estarem escondidos atrás seu horizonte de eventos são impossíveis de estudar. A estrela de nêutrons, um pulsar designado PSR J0952-0607, é, portanto, o objeto mais denso à vista da Terra.

A medição da massa da estrela de nêutrons foi possível graças à extrema sensibilidade do telescópio Keck I de 10 metros em Maunakea no Havaí, que foi capaz de registrar um espectro de luz visível da estrela companheira, agora reduzida a do tamanho de um grande planeta gasoso. As estrelas estão a cerca de 3.000 anos-luz da Terra na direção da constelação Sextans.

Descoberto em 2017, o PSR J0952-0607 é chamado de pulsar de "viúva negra" - uma analogia à tendência das aranhas viúvas negras de consumir o macho muito menor após o acasalamento. Filippenko e Romani estudam sistemas de viúvas negras há mais de uma década, na esperança de estabelecer o limite superior de como grandes estrelas/pulsares de nêutrons podem crescer.

“Ao combinar essa medida com as de várias outras viúvas negras, mostramos que as estrelas de nêutrons devem atingir pelo menos essa massa, 2,35 mais ou menos 0,17 massas solares”, disse Romani, professor de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. e membro do Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology. "Por sua vez, isso fornece algumas das restrições mais fortes sobre a propriedade da matéria em várias vezes a densidade vista nos núcleos atômicos. De fato, muitos modelos populares de física da matéria densa são excluídos por esse resultado."

Se 2,35 massas solares estiver perto do limite superior das estrelas de nêutrons, dizem os pesquisadores, então o interior provavelmente será uma sopa de nêutrons, bem como quarks up e down – os constituintes de prótons e nêutrons normais – mas não de matéria exótica. como quarks "estranhos" ou kaons, que são partículas que contêm um quark estranho.

“Uma alta massa máxima para estrelas de nêutrons sugere que é uma mistura de núcleos e seus quarks up e down dissolvidos até o núcleo”, disse Romani. "Isso exclui muitos estados propostos da matéria, especialmente aqueles com composição interior exótica."

Romani, Filippenko e o estudante de pós-graduação de Stanford, Dinesh Kandel, são coautores de um artigo que descreve os resultados da equipe que foi aceito para publicação pelo The Astrophysical Journal Letters .

Até que ponto eles podem crescer?

Os astrônomos geralmente concordam que quando uma estrela com um núcleo maior que cerca de 1,4 massas solares colapsa no final de sua vida, ela forma um objeto denso e compacto com um interior sob pressão tão alta que todos os átomos são esmagados para formar um mar de nêutrons. e seus constituintes subnucleares, quarks. Essas estrelas de nêutrons nascem girando e, embora muito fracas para serem vistas na luz visível, revelam-se como pulsares, emitindo feixes de luz – ondas de rádio, raios X ou mesmo raios gama – que iluminam a Terra enquanto giram, assim como as estrelas giratórias. feixe de um farol.

Os pulsares "comuns" giram e piscam cerca de uma vez por segundo, em média, uma velocidade que pode ser facilmente explicada dada a rotação normal de uma estrela antes de entrar em colapso. Mas alguns pulsares se repetem centenas ou até 1.000 vezes por segundo, o que é difícil de explicar, a menos que a matéria tenha caído na estrela de nêutrons e a tenha girado. Mas para alguns pulsares de milissegundos, nenhum companheiro é visível.

Uma possível explicação para pulsares de milissegundos isolados é que cada um teve uma vez um companheiro, mas o reduziu a nada.

"O caminho evolutivo é absolutamente fascinante. Ponto de exclamação duplo", disse Filippenko. "À medida que a estrela companheira evolui e começa a se tornar uma gigante vermelha, o material se espalha para a estrela de nêutrons, e isso gira a estrela de nêutrons. Ao girar, ela agora se torna incrivelmente energizada e um vento de partículas começa a sair do nêutron Esse vento então atinge a estrela doadora e começa a retirar material e, com o tempo, a massa da estrela doadora diminui para a de um planeta, e se ainda mais tempo passar, ela desaparece completamente. Então, é assim que os pulsares de milissegundos solitários podem ser Eles não estavam sozinhos para começar - eles tinham que estar em um par binário - mas eles gradualmente evaporaram seus companheiros, e agora eles são solitários."

O pulsar PSR J0952-0607 e sua tênue estrela companheira apóiam essa história de origem para pulsares de milissegundos.

“Esses objetos semelhantes a planetas são a escória de estrelas normais que contribuíram com massa e momento angular, girando seus companheiros de pulsar para períodos de milissegundos e aumentando sua massa no processo”, disse Romani.

"Em um caso de ingratidão cósmica, o pulsar da viúva negra, que devorou ​​uma grande parte de seu companheiro, agora aquece e evapora o companheiro para massas planetárias e talvez aniquilação completa", disse Filippenko.

Os pulsares de aranha incluem redbacks e tidarrens

Finding black widow pulsars in which the companion is small, but not too small to detect, is one of few ways to weigh neutron stars. In the case of this binary system, the companion star—now only 20 times the mass of Jupiter—is distorted by the mass of the neutron star and tidally locked, similar to the way our moon is locked in orbit so that we see only one side. The neutron star-facing side is heated to temperatures of about 6,200 Kelvin, or 10,700 degrees Fahrenheit, a bit hotter than our sun, and just bright enough to see with a large telescope.

Filippenko and Romani turned the Keck I telescope on PSR J0952-0607 on six occasions over the last four years, each time observing with the Low Resolution Imaging Spectrometer in 15-minute chunks to catch the faint companion at specific points in its 6.4-hour orbit of the pulsar. By comparing the spectra to that of similar sun-like stars, they were able to measure the orbital velocity of the companion star and calculate the mass of the neutron star.

Filippenko and Romani have examined about a dozen black widow systems so far, though only six had companion stars bright enough to let them calculate a mass. All involved neutron stars less massive than the pulsar PSR J0952-060. They're hoping to study more black widow pulsars, as well as their cousins:redbacks, named for the Australian equivalent of black widow pulsars, which have companions closer to one-tenth the mass of the sun; and what Romani dubbed tidarrens—where the companion is around one-hundredth of a solar mass—after a relative of the black widow spider. The male of this species, Tidarren sisyphoides, is about 1% of the female's size.

"We can keep looking for black widows and similar neutron stars that skate even closer to the black hole brink. But if we don't find any, it tightens the argument that 2.3 solar masses is the true limit, beyond which they become black holes," Filippenko said.

"This is right at the limit of what the Keck telescope can do, so barring fantastic observing conditions, tightening the measurement of PSR J0952-0607 likely awaits the 30-meter telescope era," added Romani.

Other co-authors of the ApJ Letters paper are UC Berkeley researchers Thomas Brink and WeiKang Zheng. + Explorar mais

Two millisecond pulsars detected in globular cluster NGC 6440