As estrelas de nêutrons abrigam alguns dos ambientes mais extremos do universo: suas densidades chegam a ser várias vezes maiores que as dos núcleos atômicos, e elas possuem alguns dos campos gravitacionais mais fortes de qualquer objeto conhecido, superados apenas pelos buracos negros. Observadas pela primeira vez na década de 1960, grande parte da composição interna das estrelas de nêutrons ainda é desconhecida. Os cientistas estão começando a considerar as ondas gravitacionais emitidas por espirais binárias de estrelas de nêutrons — pares de estrelas de nêutrons que orbitam uma à outra — como possíveis fontes de informação sobre seus interiores.

Físicos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, juntamente com colegas da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, da Universidade Estadual de Montana e do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental na Índia, fizeram um importante avanço teórico na compreensão de como estrelas de nêutrons binárias em espiral respondem às forças de maré, um passo fundamental para elucidar a composição das estrelas de nêutrons. A equipe provou que as respostas de maré dessas estrelas, que variam com o tempo, podem ser descritas em termos de seu comportamento oscilatório, ou modos, estendendo um resultado análogo da gravidade newtoniana para o contexto relativístico.

Esta pesquisa foi publicada como uma Sugestão dos Editores na revista Physical Review Letters em 18 de fevereiro de 2026 e abre caminho para a investigação da estrutura interna de estrelas de nêutrons e de alguns dos tipos de matéria mais extremos da natureza usando ondas gravitacionais.

Estrelas de nêutrons: um laboratório natural para estudar matéria extrema.

Como o próprio nome sugere, as estrelas de nêutrons são parcialmente compostas de nêutrons, que se formam quando prótons e elétrons são comprimidos a pressões tão altas que essencialmente se "fundem". Mas os nêutrons não são tudo. Teorias promissoras sugerem que elementos pesados, elétrons livres e prótons livres também são componentes significativos. Alguns chegam a suspeitar que fases superfluidas e supercondutoras quânticas surjam em camadas mais profundas. Essas conjecturas, no entanto, são difíceis de verificar, e grande parte da composição interna — especialmente no núcleo — ainda é uma grande incógnita.

Mas as estrelas de nêutrons não são interessantes apenas por si só. Os cientistas acreditam que elas podem nos revelar informações sobre física extrema em geral. Os teóricos conjecturam que as estrelas de nêutrons representam um exemplo de um tipo mais geral de matéria conhecido como plasma de quarks e glúons , um estado de matéria extremamente denso e quente composto de quarks, os blocos de construção elementares de prótons e nêutrons. Essa matéria existe apenas nos ambientes mais extremos, como o universo primordial nos primeiros microssegundos após o Big Bang.

A única maneira de estudar o plasma de quarks e glúons na Terra é colidindo partículas de alta energia em aceleradores de partículas, que sondam esses plasmas a temperaturas extraordinariamente altas. Em temperaturas mais baixas, porém, não existem métodos de laboratório.

O professor de física da Universidade de Illinois, Nicolás Yunes, disse: "É muito difícil estudar a física da matéria em densidades tão altas e, relativamente falando, em temperaturas tão baixas. Mas o universo oferece um laboratório natural para estudar esse tipo de matéria por meio das estrelas de nêutrons."

Obviamente, como as estrelas de nêutrons não podem ser estudadas na Terra, os físicos precisam inferir suas propriedades a partir de observações astrofísicas, que tradicionalmente se limitavam a observações eletromagnéticas. Com o advento da astronomia de ondas gravitacionais, no entanto, os físicos descobriram uma alternativa poderosa que pode permitir que eles perscrutem o próprio núcleo de uma estrela de nêutrons.

Às vezes, estrelas de nêutrons formam sistemas binários, onde duas estrelas orbitam um centro de massa comum. Presas na órbita uma da outra, elas começam a espiralar em direção uma à outra, perdendo energia para ondas gravitacionais — vibrações no espaço-tempo que se propagam para fora na velocidade da luz. À medida que espiralam em direção uma à outra, cada estrela exerce uma força gravitacional sobre a sua parceira, produzindo forças de maré semelhantes às da Lua em relação à Terra, antes de finalmente se fundirem em uma colisão violenta.

Representação de um par de estrelas de nêutrons durante uma espiral. Cada estrela exerce forças de maré sobre sua vizinha, o que deforma e excita padrões de frequência em seu interior, deixando marcas nas ondas gravitacionais emitidas. Os pesquisadores podem analisar essas ondas gravitacionais para "ouvir" o que está acontecendo dentro das estrelas. Imagem gerada por Abhishek Hegade e Nicolás Yunes usando o OpenAI ChatGPT Pro.

Abhishek Hegade, ex-aluno de pós-graduação em Física da Universidade de Illinois e atual pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Princeton, explicou: "À medida que se aproximam, as forças de maré de uma estrela começam a deformar a outra e vice-versa. A quantidade de deformação depende do que há dentro das estrelas."

Essas deformações excitam padrões oscilatórios, chamados modos, dentro das estrelas, assim como um martelo excita toques quando bate em um sino. Esses modos deixam marcas nas ondas gravitacionais emitidas, que podem ser captadas por detectores sensíveis na Terra. Ao "escutar" essas marcas, os cientistas podem ser capazes de inferir o que está acontecendo no interior das estrelas.

Yunes explicou: "Se pudermos entender as frequências dos modos de oscilação e seus tempos de decaimento, poderemos determinar a composição das estrelas de nêutrons em um regime inacessível na Terra."

Para decifrar as impressões dos modos de vibração, os cientistas precisam primeiro entender como as estrelas de nêutrons respondem às forças de maré, uma tarefa difícil porque as forças — e, portanto, a resposta de maré — são dinâmicas, mudando rapidamente em função do tempo, especialmente durante os estágios finais da espiral.

Para as respostas dinâmicas das marés de corpos newtonianos não relativísticos, as soluções das equações gravitacionais de Newton são os modos, que se comportam como molas amortecidas, ou, como dizem os físicos, osciladores harmônicos amortecidos. Além disso, a resposta da maré do objeto pode ser expressa inteiramente em termos desses modos — nada mais — formando o que se chama de conjunto "completo".

Yunes enfatizou que expressar as respostas das marés dessa forma é crucial, salientando: "Sem um conjunto completo de modos, é totalmente possível que se perca parte da resposta da maré ao modelá-la, já que pode haver outras peças que você esteja omitindo da descrição matemática da resposta, necessárias para capturar toda a física envolvida."

Cientistas do mundo todo esperavam que um conjunto completo de modos para estrelas de nêutrons binárias na teoria da relatividade geral de Einstein também existisse. Mas estrelas de nêutrons em espiral são altamente relativísticas: são extremamente densas e podem atingir velocidades próximas a 40% da velocidade da luz antes de se fundirem, distorcendo fortemente o espaço-tempo ao seu redor. Esse quadro complexo e a enorme complexidade das equações de Einstein frustraram as tentativas dos físicos de determinar se os modos das estrelas de nêutrons formam um conjunto completo de osciladores harmônicos.

Primeiro, como existem duas estrelas em um sistema binário, é difícil separar os efeitos de uma sobre a outra, uma situação em que as soluções das equações que regem as estrelas deixam de satisfazer as restrições matemáticas corretas, ou condições de contorno, necessárias para que os modos completos surjam.

"Além disso", acrescentou o autor principal, Hegade, "a própria gravidade de uma estrela altera as equações dentro e fora dela. Isso não acontece na gravidade newtoniana, onde tudo ocorre no vácuo. Para interpretar a resposta de maré da estrela em termos de seus modos, é preciso conhecer o campo de maré tanto fora quanto dentro da estrela."

"Além disso, a perda de energia por radiação gravitacional também não é explicada pela teoria newtoniana. Se o seu sistema está perdendo energia, então seus modos não podem ser completos, portanto você não pode decompor nenhuma perturbação em termos dos modos."

Para superar esses obstáculos, a equipe de Yunes dividiu o problema em partes mais simples, concentrando-se em uma estrela e considerando sua companheira como uma fonte de maré. Se conseguissem aplicar as condições de contorno da maneira correta, poderiam encontrar um conjunto completo de modos. Partindo de um conjunto de equações de Einstein-Euler linearizadas, que descrevem como a matéria gera campos gravitacionais e evolui no espaço-tempo, eles dividiram o interior e o exterior da estrela em regiões distintas (veja o diagrama): uma zona de forte gravidade e uma zona de fraca gravidade.

Hegade explicou: "Fisicamente, é uma maneira muito intuitiva de conceber o sistema. Dentro da estrela, assim como perto de sua superfície, a gravidade é forte. Mas longe dela, a gravidade é fraca."

"Esse processo é chamado de expansão assintótica combinada, onde você amplia a imagem em diferentes escalas e encontra soluções aproximadas. Finalmente, você une as soluções para obter algo uniforme em todas as escalas."

Ao decompor o sistema dessa maneira e combinar cuidadosamente as soluções das zonas de gravidade forte e fraca, os pesquisadores conseguiram impor as condições de contorno apropriadas, parte por parte. Fundamentalmente, a incorporação da zona de gravidade fraca eliminou com sucesso a radiação na análise da equipe.

Os pesquisadores também desenvolveram um método para encontrar o campo de maré dentro da estrela. Manipulando as equações de Einstein-Euler de maneira adequada, descobriram que podiam considerar o campo de maré interior como um fator determinante das oscilações. Especificamente, constataram que, desde que o campo de maré varie sem saltos repentinos ou mudanças bruscas, as equações produzem modos de oscilador harmônico — exatamente como na teoria newtoniana.

Com o conjunto completo de modos do oscilador harmônico da estrela de nêutrons agora em mãos, os pesquisadores conseguiram exatamente o que haviam se proposto a fazer.

Hegade resumiu: "Mostramos duas coisas principais. Primeiro, conseguimos subtrair a radiação, descobrindo que os modos de uma estrela de nêutrons realmente formam um conjunto completo. Segundo, descobrimos que, se você resolver consistentemente um determinado conjunto de equações usando um campo de maré suficientemente 'suave', isso é uma solução para o interior da estrela, e você pode fazer todas as mesmas coisas na relatividade geral que na gravidade newtoniana."

Os pesquisadores estão agora ansiosos para ver o que sua nova estrutura poderá revelar.

Yunes disse: "Uma das esperanças é que possamos obter algumas informações sobre a equação de estado de uma estrela de nêutrons em densidades encontradas no núcleo interno de uma estrela de nêutrons. Existe realmente um núcleo de quarks, como alguns afirmaram recentemente? Estão ocorrendo transições de fase em seu interior que ainda desconhecemos?"

Mas responder a essas perguntas talvez tenha que esperar.

Yunes observou: "As relações sinal-ruído obtidas pela colaboração LIGO em seus dados mais recentes, de 2017, não são altas o suficiente para que possamos observar as características que capturamos em nosso modelo. Além disso, os detectores atuais não são sensíveis o bastante a frequências suficientemente altas, onde se encontra a maior parte das informações sobre os modos de oscilação das estrelas de nêutrons."

Muitos esperam que as novas gerações de detectores, que devem entrar em operação nos próximos anos, juntamente com descobertas fortuitas de eventos de fusão próximos, aumentem as relações sinal-ruído e as sensibilidades necessárias para observar mais detalhes nos dados.

Até lá, os físicos têm bastante tempo para se preparar para os detectores previstos. A equipe de Yunes já tem algumas direções propostas: sua estrutura atual é válida apenas para estrelas não rotativas, então eles esperam estendê-la para incluir também a rotação, já que a maioria das estrelas de nêutrons gira rapidamente. Eles também planejam repetir sua análise para forças de maré não lineares e incluir campos não gravitacionais, como campos magnéticos. Em termos de seu novo modelo generalizado, porém, eles já superaram o obstáculo mais desafiador.

Hegade disse: "O bom da nossa nova estrutura é que já resolvemos a parte difícil: a gravidade. Agora é só uma questão de aplicar nossos modelos a configurações mais realistas."