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Estrelas de nêutrons – os restos compactados de estrelas massivas que se tornaram supernovas – são os objetos “normais” mais densos do universo conhecido. (Os buracos negros são tecnicamente mais densos, mas estão longe do normal.) Apenas um único cubo de açúcar com material de estrela de nêutrons pesaria 100 milhões de toneladas aqui na Terra, ou aproximadamente o mesmo que toda a população humana. Embora astrônomos e físicos tenham estudado e se maravilhado com esses objetos há décadas, muitos mistérios permanecem sobre a natureza de seus interiores: os nêutrons esmagados se tornam “superfluidos” e fluem livremente? Eles se decompõem em uma sopa de quarks subatômicos ou outras partículas exóticas? Qual é o ponto de inflexão quando a gravidade vence a matéria e forma um buraco negro?
Uma equipe de astrônomos usando o Green Bank Telescope (GBT) da National Science Foundation (NSF) nos aproximou de encontrar as respostas.
Os pesquisadores, membros do NANOGrav Physics Frontiers Center, descobriram que um pulsar de milissegundo de rotação rápida, chamado J0740 + 6620, é a estrela de nêutrons mais massiva já medida, acumulando 2,17 vezes a massa de nosso Sol em uma esfera de apenas 30 quilômetros de diâmetro. Essa medida aproxima-se dos limites de quão grande e compacto um único objeto pode se tornar sem se esmagar em um buraco negro. Trabalhos recentes envolvendo ondas gravitacionais observadas pela colisão de estrelas de nêutrons pelo LIGO sugerem que 2,17 massas solares podem estar muito próximas desse limite.
“As estrelas de nêutrons são tão misteriosas quanto fascinantes”, disse Thankful Cromartie, estudante de graduação da Universidade da Virgínia e pré-doutorado de Grote Reber no Observatório Nacional de Astronomia de Rádio em Charlottesville, Virgínia. “Esses objetos do tamanho de cidades são essencialmente núcleos atômicos ginormosos. Eles são tão grandes que seus interiores adquirem propriedades estranhas. Encontrar a massa máxima permitida pela física e pela natureza pode nos ensinar muito sobre esse domínio inacessível na astrofísica”.

Os pulsares recebem esse nome por causa dos raios duplos de ondas de rádio que emitem de seus polos magnéticos.

Esses feixes varrem o espaço de maneira semelhante a um farol. Alguns giram centenas de vezes a cada segundo. Como os pulsares giram com velocidade e regularidade fenomenais, os astrônomos podem usá-los como o equivalente cósmico dos relógios atômicos. Essa cronometragem precisa ajuda os astrônomos a estudar a natureza do espaço-tempo, medir as massas de objetos estelares e melhorar sua compreensão da relatividade geral.
No caso deste sistema binário, que é quase de ponta em relação à Terra, essa precisão cósmica forneceu um caminho para os astrônomos calcularem a massa das duas estrelas.
À medida que o pulsar passa atrás de seu companheiro de anã branca, há um atraso sutil (da ordem de 10 milionésimos de segundo) no tempo de chegada dos sinais. Esse fenômeno é conhecido como “atraso de Shapiro”. Em essência, a gravidade da estrela anã branca distorce levemente o espaço ao seu redor, de acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein. Essa distorção significa que os pulsos da estrela rotativa de nêutrons precisam se deslocar um pouco mais longe, pois se desviam das distorções do espaço-tempo causadas pela anã branca.
Os astrônomos podem usar a quantidade desse atraso para calcular a massa da anã branca. Uma vez conhecida a massa de um dos corpos que co-orbita, é um processo relativamente simples determinar com precisão a massa do outro.
Cromartie é o principal autor de um artigo aceito para publicação na Nature Astronomy . As observações do GBT foram pesquisas relacionadas à sua tese de doutorado, que propunha observar esse sistema em dois pontos especiais em suas órbitas mútuas para calcular com precisão a massa da estrela de nêutrons.
“A orientação desse sistema estelar binário criou um laboratório cósmico fantástico”, disse Scott Ransom, astrônomo da NRAO e coautor do artigo. “As estrelas de nêutrons têm esse ponto de inflexão, onde suas densidades interiores são tão extremas que a força da gravidade supera até a capacidade dos nêutrons de resistir a um colapso adicional. Cada estrela de nêutrons” mais massiva “que encontramos nos aproxima mais da identificação desse ponto de inflexão e nos ajuda a para entender a física da matéria nessas densidades surpreendentes. ”
Essas observações também fizeram parte de uma campanha de observação maior conhecida como NANOGrav, abreviação de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, que é um Centro de Fronteiras da Física financiado pela NSF.