Um novo estudo liderado por cientistas GSI e colegas internacionais investiga a formação de buracos negros em fusões de estrelas de nêutrons. Simulações de computador mostram que as propriedades da matéria nuclear densa desempenham um papel crucial, que liga diretamente o evento de fusão astrofísica para experimentos de colisão de íons pesados ​​no GSI e FAIR. Essas propriedades serão estudadas mais precisamente nas futuras instalações da FAIR. Os resultados já foram publicados em Cartas de revisão física . Com a atribuição do Prêmio Nobel de Física de 2020 pela descrição teórica de buracos negros e pela descoberta de um objeto supermassivo no centro de nossa galáxia, o assunto atualmente também recebe muita atenção.

Mas sob quais condições um buraco negro realmente se forma? Esta é a questão central de um estudo conduzido pelo GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung em Darmstadt dentro de uma colaboração internacional. Usando simulações de computador, os cientistas se concentram em um processo específico para formar buracos negros, ou seja, a fusão de duas estrelas de nêutrons.

As estrelas de nêutrons consistem em matéria densa altamente comprimida. A massa de uma massa solar e meia é comprimida até o tamanho de apenas alguns quilômetros. Isso corresponde a densidades semelhantes ou até mais altas do que no interior dos núcleos atômicos. Se duas estrelas de nêutrons se fundem, o assunto é adicionalmente comprimido durante a colisão. Isso traz o remanescente da fusão à beira do colapso e se transformar em um buraco negro. Os buracos negros são os objetos mais compactos do universo, mesmo a luz não pode escapar, portanto, esses objetos não podem ser observados diretamente.

"O parâmetro crítico é a massa total das estrelas de nêutrons. Se exceder um certo limite, o colapso em um buraco negro é inevitável, "resume o Dr. Andreas Bauswein do departamento de teoria GSI. No entanto, o limiar exato de massa depende das propriedades da matéria nuclear altamente densa. Em detalhes, essas propriedades da matéria de alta densidade ainda não são completamente compreendidas, É por isso que laboratórios de pesquisa como o GSI colidem com núcleos atômicos - como a fusão de uma estrela de nêutrons, mas em uma escala muito menor. Na verdade, as colisões de íons pesados ​​levam a condições muito semelhantes às fusões de estrelas de nêutrons. Com base em desenvolvimentos teóricos e experimentos físicos de íons pesados, é possível calcular certos modelos de matéria de estrelas de nêutrons, as chamadas equações de estado.

Empregando várias dessas equações de estado, o novo estudo calculou a massa limite para a formação de buracos negros. Se matéria de estrela de nêutrons ou matéria nuclear, respectivamente, é facilmente compressível - se a equação de estado for 'suave' - a fusão de estrelas de nêutrons relativamente leves leva à formação de um buraco negro. Se a matéria nuclear for "mais rígida" e menos compressível, o remanescente é estabilizado contra o chamado colapso gravitacional e um grande remanescente de estrela de nêutrons em rotação se forma a partir da colisão. Portanto, a própria massa limite para o colapso informa sobre as propriedades da matéria de alta densidade. O novo estudo revelou, além disso, que o limite para o colapso pode até mesmo esclarecer se durante a colisão os núcleos se dissolvem em seus constituintes, os quarks.

"Estamos muito entusiasmados com esses resultados porque esperamos que observações futuras possam revelar a massa do limiar, "acrescenta o professor Nikolaos Stergioulas, do departamento de física da Universidade Aristóteles de Thessaloniki, na Grécia. Há poucos anos, uma fusão de estrelas de nêutrons foi observada pela primeira vez medindo as ondas gravitacionais da colisão. Os telescópios também encontraram a contraparte eletromagnética e detectaram luz do evento de fusão. Se um buraco negro for formado diretamente durante a colisão, a emissão óptica da fusão é bastante fraca. Assim, os dados observacionais indicam se um buraco negro foi criado. Ao mesmo tempo, o sinal da onda gravitacional carrega informações sobre a massa total do sistema. Quanto mais massivas as estrelas, mais forte é o sinal da onda gravitacional, o que permite determinar a massa limite.

Enquanto os detectores de ondas gravitacionais e telescópios aguardam a próxima fusão de estrelas de nêutrons, o curso está sendo estabelecido em Darmstadt para um conhecimento ainda mais detalhado. O novo acelerador FAIR, atualmente em construção no GSI, criará condições, que são ainda mais semelhantes aos das fusões de estrelas de nêutrons. Finalmente, apenas a combinação de observações astronômicas, simulações de computador e experimentos de íons pesados ​​podem resolver as questões sobre os blocos de construção fundamentais da matéria e suas propriedades, e, por este, eles também irão esclarecer como ocorre o colapso em um buraco negro.