Uma pesquisa conduzida pelos astrofísicos Luciano Rezzolla e Christian Ecker, da Universidade de Frankfurt, apresenta uma relação teórica que estabelece quão compacta uma estrela de nêutrons pode ser antes de colapsar em um buraco negro. O trabalho, disponível no repositório arXiv, analisa dezenas de milhares de equações de estado — descrições da pressão e densidade no interior desses objetos — e conclui que a razão entre massa e raio de qualquer estrela de nêutrons não ultrapassa 1/3 em unidades geometrizadas. Com isso, torna-se possível definir um limite inferior para o raio: ele deve ser maior que três vezes a massa da estrela em termos relativísticos.
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Critério universal para todas as equações de estado
A determinação do raio de uma estrela de nêutrons sempre foi um desafio. Enquanto a massa pode ser inferida com boa precisão por medições de órbitas em sistemas binários, o raio depende diretamente da equação de estado, ainda incerta devido às condições extremas de densidade — uma colher de chá de matéria estelar pode pesar bilhões de toneladas. Para contornar esse obstáculo, Rezzolla e Ecker reuniram um amplo conjunto de cenários possíveis e, para cada um, avaliaram a massa máxima permitida pela relatividade geral antes da formação de um buraco negro.
Ao comparar esses limites, os autores notaram que, independentemente da equação de estado utilizada, a compacidade — definida como massa dividida pelo raio — nunca excede 0,33. Segundo os pesquisadores, o resultado indica que “traços” da cromodinâmica quântica (QCD), teoria que descreve a força nuclear forte, impõem restrições semelhantes em todos os modelos de matéria ultra-densa.
Implicações observacionais e testes futuros
A relação obtida oferece uma ferramenta direta para estimar o raio mínimo de uma estrela de nêutrons assim que a sua massa é medida. Por exemplo, para uma estrela com 2 massas solares, o raio precisaria ser maior que cerca de 9 quilômetros. Segundo especialistas, essa informação poderá ser confrontada com dados do instrumento NICER, instalado na Estação Espacial Internacional, projetado para medir pulsações de raios X e refinar estimativas de raios. Além disso, detecções de ondas gravitacionais envolvendo fusões de estrelas de nêutrons, como o evento GW170817 observado em 2017, fornecem outra via de checagem ao comparar as marés geradas durante a colisão.
Se num futuro próximo alguma observação indicar uma compacidade maior do que o limite proposto, isso sugeriria falhas nas premissas de QCD usadas no estudo ou a presença de física exótica não considerada, como matéria de quarks livre ou formação de hiperons em grandes quantidades. Por outro lado, a confirmação do critério consolidaria nossa compreensão sobre a estrutura interna desses objetos e sobre a própria força nuclear forte em condições impossíveis de reproduzir em laboratório.
Análise de impacto
Para o público geral, o avanço significa previsões mais confiáveis sobre o comportamento de estrelas de nêutrons, peças-chave em fenômenos cósmicos como explosões de raios gama e criação de elementos pesados (ouro e platina, por exemplo). Já para a comunidade científica, o limite de compacidade simplifica modelos numéricos e pode reduzir o número de equações de estado plausíveis, concentrando esforços em simulações mais realistas. Em termos de tecnologia de detecção, pressiona missões espaciais e observatórios de ondas gravitacionais a alcançar maior precisão, o que, segundo relatórios oficiais de agências espaciais, deverá ocorrer na próxima década com a entrada em operação de instrumentos de terceira geração.
Imagem: Keith Cooper published
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Curiosidade
O termo “compacidade” usado pelos pesquisadores deriva do mesmo conceito aplicado em buracos negros, onde a razão massa/raio atinge o valor máximo teórico de 0,5. Assim, ainda que extremamente densas, estrelas de nêutrons permanecem “menos compactas” que esses objetos extremos, oferecendo um laboratório natural para estudar o limiar entre a matéria e a completa deformação do espaço-tempo prevista pela relatividade geral.
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