Até onde uma estrela de nêutrons pode crescer antes de virar um buraco negro?

As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais extremos conhecidos no Universo, ficando atrás apenas dos buracos negros. Elas são formadas quando estrelas massivas esgotam seu combustível nuclear e colapsam após uma explosão de supernova. Nesse processo, a matéria é comprimida até ao ponto em que prótons e elétrons se combinam para formar nêutrons. O resultado é um objeto com massa semelhante à do Sol concentrada em uma esfera com apenas alguns quilômetros de diâmetro.

Descrever a Física de uma estrela de nêutrons é difícil porque diferentes áreas precisam ser consideradas simultaneamente, como a Relatividade Geral e a Mecânica Quântica. Além disso, ainda não conhecemos completamente a chamada equação de estado da matéria em uma estrela de nêutrons. Essa equação é importante porque determina como a pressão responde ao aumento da densidade no interior desses objetos.

Um novo estudo publicado quer encontrar um limite para qual é a massa máxima que uma estrela de nêutrons pode chegar antes de se tornar um buraco negro. Com observações astronômicas recentes e modelos teóricos, os pesquisadores concluíram que esse limite provavelmente está entre 2,2 e 2,3 massas solares. Acima dessa faixa, a pressão gerada pela matéria degenerada e pelas interações nucleares não seria suficiente para impedir o colapso gravitacional. Nesse cenário, o objeto se transformaria em um buraco negro.

Estrelas de nêutrons

As estrelas de nêutrons são os remanescentes que ficam após a explosão de estrelas massivas em eventos de supernova. Quando o núcleo da estrela colapsa sob sua própria gravidade, prótons e elétrons são comprimidos até que se combinam para formar nêutrons. Apesar de possuírem massas próximas à do Sol, essas estrelas normalmente apresentam diâmetros de apenas 20 a 30 quilômetros.

A matéria em seu interior é comprimida a densidades superiores às encontradas nos núcleos atômicos. Mesmo assim, a gravidade é tão intensa que o espaço-tempo é extremamente distorcido e causa efeitos relativísticos. Em alguns casos, elas também possuem campos magnéticos e podem girar em uma velocidade alta, criando os objetos que conhecemos como pulsares.

Massa desses objetos

A massa de uma estrela de nêutrons não pode crescer indefinidamente porque conforme ela aumenta, sua gravidade se torna cada vez mais intensa. Existe, portanto, um limite máximo de massa acima do qual a estrela colapsa e se transforma em um buraco negro. Determinar exatamente essa massa é difícil porque depende das propriedades da matéria em seu interior e depende de mais de uma área na Física para responder.

Para investigar isso, pesquisadores combinaram diferentes conjuntos de dados observacionais. Entre eles estão as medições realizadas pelo NICER, que observa pontos quentes na superfície de pulsares em rotação e fornece estimativas de suas massas e raios. Após combinar as observações, diferentes modelos convergiram para o mesmo resultado confirmando que a massa máxima de uma estrela de nêutrons estaria entre 2,2 e 2,3 massas solares.

Fallback

Saber a massa máxima é importante porque a massa é o fator que determina se um objeto permanecerá como uma estrela de nêutrons ou colapsará para formar um buraco negro. Enquanto a pressão gerada pela degenerescência dos nêutrons e pelas interações nucleares consegue equilibrar a gravidade, a estrela permanece estável. Quando a massa ultrapassa um valor crítico, nenhuma força é capaz de impedir o colapso gravitacional e o núcleo da estrela é comprimido até formar um buraco negro.

Um exemplo disso é o chamado colapso por fallback, que pode ocorrer após uma explosão de supernova. Em alguns casos, a explosão não consegue expulsar todo o material das camadas externas da estrela. Parte dessa matéria perde velocidade e acaba retornando em direção ao núcleo e aumenta a massa da estrela de nêutrons recém-formada. Se a quantidade de matéria acumulada ultrapassar o limite máximo de estabilidade, o objeto deixa de ser sustentado pela pressão interna e colapsa para um buraco negro.

Buraco negro ou estrela de nêutrons?

Mesmo com as novas estimativas para a massa máxima das estrelas de nêutrons, alguns objetos continuam desafiando esses valores. Alguns objetos encontrados possuem massas que parecem grandes demais para serem estrelas de nêutrons, mas pequenas demais para serem buracos negros. Em alguns casos, as observações disponíveis ainda não são suficientes para determinar se esses objetos possuem superfície sólida, como estrelas de nêutrons, ou horizonte de eventos, como buracos negros.

Um dos exemplos é o objeto GW190814, cuja massa estimada é de aproximadamente 2,59 massas solares, e o objeto HESS J1731-347, que também apresenta massa elevada. Os resultados do novo estudo apontam que ambos provavelmente são buracos negros de baixa massa, em vez de estrelas de nêutrons pesadas. Se essa conclusão estiver correta, ela ajudará a definir a fronteira entre esses dois tipos de objetos compactos. Ainda assim, novas observações serão necessárias para confirmar a natureza desses objetos.

Referência da notícia

Kasza et al. Maximal mass of neutron stars constrained by neutron star observations arXiv