27/07/2022 - 8:53
Uma estrela densa e colapsada girando 707 vezes por segundo – o que a torna uma das estrelas de nêutrons mais rápidas da Via Láctea – destruiu e consumiu quase toda a massa de sua companheira estelar e, no processo, se transformou na estrela de nêutrons mais pesada observada até hoje.
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Pesar essa 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 como 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, professor distinto de astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley (EUA) e coautor de um artigo sobre a descoberta programado para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters. “Uma estrela de nêutrons é como um núcleo gigante, mas quando você tem uma massa solar e meia desse material, que equivale a cerca de 500 mil massas terrestres de núcleos todos grudados, não está claro como tudo isso se comportará.”
Este vídeo da Nasa de 2014 explica os pulsares do tipo “viúva negra” e como os astrônomos descobriram um chamado PSR J1311−3430, o primeiro de seu tipo encontrado apenas através de observações de raios gama. Crédito: Goddard Space Flight Center/Nasa
Extrema sensibilidade
Roger W. Romani, professor de astrofísica da Universidade Stanford (EUA) e também coautor do artigo, observou que as estrelas de nêutrons são tão densas – 1 polegada cúbica (equivalente a 16,38 centímetros cúbicos) 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. Essa propriedade foi capaz de registrar um espectro de luz visível da estrela companheira brilhante, agora reduzida ao tamanho de um grande planeta gasoso. As estrelas estão a cerca de 3 mil anos-luz da Terra, na direção da constelação do Sextante.
Descoberta em 2017, a PSR J0952-0607 é chamada de pulsar “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.
Restrições mais fortes
“Ao combinarmos essa medida com as de vários outros pulsares 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. “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 estiverem 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 strange.
“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.”
Até onde elas podem crescer?
Os astrônomos geralmente concordam que quando uma estrela com um núcleo maior que cerca de 1,4 massa solar 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 piscam vistas da Terra enquanto giram, assim como o feixe giratório 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 ficado girando. Mas para alguns pulsares de milissegundos, nenhuma companheira é visível.
Uma possível explicação para pulsares de milissegundos isolados é que cada um teve uma vez uma companheira, mas a reduziu a nada.
Caminho evolutivo fascinante
“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 faz girar a estrela de nêutrons. Ao girar, ela agora se torna incrivelmente energizada e um vento de partículas começa a sair da estrela de nêutrons. Esse vento então atinge a estrela doadora e começa a retirar o material dela, 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 formados. Eles não estavam sozinhos para começar – eles tinham que estar em um par binário –, mas gradualmente evaporaram suas companheiras, e agora eles são solitários.”
O pulsar PSR J0952-0607 e sua tênue estrela companheira apoiam 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 suas companheiras de pulsar para períodos de milissegundos e aumentando sua massa no processo”, disse Romani.
“Em um caso de ingratidão cósmica, o pulsar viúva negra, que devorou uma grande parte de sua companheira, agora aquece e evapora a companheira para massas planetárias e talvez aniquilação completa”, disse Filippenko.
Pulsares viúva negra e seus primos
Encontrar pulsares viúva negra em que a companheira é pequena, mas não muito pequena para detectar, é uma das poucas maneiras de pesar estrelas de nêutrons. No caso desse sistema binário, a estrela companheira – agora com apenas 20 vezes a massa de Júpiter – é distorcida pela massa da estrela de nêutrons e travada por maré, semelhante à maneira como nossa Lua está travada em órbita, de modo que vemos apenas um lado dela. O lado voltado para a estrela de nêutrons é aquecido a temperaturas de cerca de 6.200 graus Kelvin, ou 5.927 graus Celsius, um pouco mais quente que o nosso Sol, e brilhante o suficiente para ser visto com um grande telescópio.
Filippenko e Romani viraram o telescópio Keck I no PSR J0952-0607 em seis ocasiões nos últimos quatro anos, cada vez observando com o espectrômetro de imagem de baixa resolução em pedaços de 15 minutos para capturar a companheira fraca em pontos específicos em sua órbita de 6,4 horas do pulsar. Ao comparar os espectros com os de estrelas semelhantes ao Sol, eles foram capazes de medir a velocidade orbital da estrela companheira e calcular a massa da estrela de nêutrons.
Filippenko e Romani examinaram cerca de uma dúzia de sistemas de viúvas negras até agora, embora apenas seis tivessem estrelas companheiras brilhantes o suficiente para permitir que calculassem uma massa. Todas envolviam estrelas de nêutrons menos massivas que o pulsar PSR J0952-060. Eles esperam estudar mais pulsares viúva negra, assim como seus primos: redbacks, nomeados para o equivalente australiano de pulsares viúva negra, que têm companheiros mais próximos de um décimo da massa do Sol; e o que Romani apelidou de tidarrens – em que a companheira tem cerca de um centésimo da massa solar – em homenagem a um parente da aranha viúva-negra. O macho dessa espécie, Tidarren sisyphoides, tem cerca de 1% do tamanho da fêmea.
Busca contínua
“Podemos continuar procurando por viúvas negras e estrelas de nêutrons semelhantes que se aproximam ainda mais da beira do buraco negro. Mas se não encontrarmos nenhuma, isso reforça o argumento de que 2,3 massas solares é o verdadeiro limite, além do qual elas se tornam buracos negros”, disse Filippenko.
“Isso está bem no limite do que o telescópio Keck pode fazer. Então, salvo condições fantásticas de observação, o estreitamento da medição do PSR J0952-0607 provavelmente aguarda a era do telescópio de 30 metros”, acrescentou Romani.
