Cinco fatos extremos sobre estrelas de nêutrons

Estrelas de nêutrons têm merecido seus superlativos desde a sua descoberta em 1967.

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Ilustração: Corinne Mucha

Por Ali Sundermier
Publicado na Symmetry Magazine

Quando uma estrela massiva morre, expelindo a maior parte de suas tripas através do universo em uma explosão de supernova, seu coração de ferro, o núcleo da estrela, colapsa para criar a forma mais densa de matéria observável no universo: uma estrela de nêutrons.

Uma estrela de nêutrons é basicamente um núcleo gigante, diz Mark Alford, professor da Universidade de Washington.

“Imagine uma pequena bola de chumbo com algodão doce em torno dela”, diz Alford. – Isso é um átomo. Toda a massa está na bolinha de chumbo no meio, e há uma grande nuvem de elétrons à sua volta, que seria o algodão doce.

Nas estrelas de nêutrons, os átomos foram colapsados. As nuvens de elétrons foram todas sugadas e toda a coisa se torna uma única entidade com elétrons correndo lado a lado com prótons e nêutrons em um gás ou fluido.

Estrelas de nêutrons são muito pequenas, comparadas a outro objetos estelares. Embora os cientistas ainda estejam trabalhando para estimar seu diâmetro exato, eles estimam que elas tenham em torno de 20 a 30 km de diâmetro, algo em torno do comprimento de Manhattan. Apesar disso, elas têm cerca de 1,5 vezes a massa do Sol.

Se uma estrela de nêutrons fosse mais densa, ela se tornaria um buraco negro e desapareceria, diz Alford. “Ela está perto da última parada na linha.”

Esses objetos extremos oferecem intrigantes casos de teste que poderiam ajudar os físicos a entender as forças fundamentais, a relatividade geral e o universo primitivo. Aqui estão alguns fatos fascinantes para você conhecer:

Ilustração: Corinne Mucha

1. Nos primeiros segundos após uma estrela começar sua transformação em estrela de nêutrons, a energia emitida em neutrinos é igual à quantidade total de luz emitida por todas as estrelas no universo observável.

A matéria ordinária contém números aproximadamente iguais de prótons e nêutrons. Mas a maioria dos prótons em uma estrela de nêutrons são convertidos em nêutrons – estrelas de nêutrons são compostas por cerca de 95% de nêutrons. Quando os prótons se convertem em nêutrons, liberam partículas chamadas neutrinos.

Estrelas de nêutrons são feitas em explosões de supernova, que são fábricas gigantes de neutrinos. Uma supernova irradia 10 vezes mais neutrinos do que partículas, prótons, nêutrons e elétrons no Sol.

Ilustração: Corinne Mucha

2. Especula-se que se houvesse vida em estrelas de nêutrons, seria bidimensional.

As estrelas de nêutrons têm alguns dos campos gravitacionais e magnéticos mais fortes do universo. A gravidade é forte o suficiente para nivelar quase qualquer coisa na superfície. Os campos magnéticos de estrelas de nêutrons podem ser um bilhão de vezes a um milhão de bilhão de vezes o campo magnético na superfície da Terra.

“Tudo nas estrelas de nêutrons é extremo”, diz James Lattimer, professor da Stony Brook University. “Chega ao ponto de ser quase ridículo.”

Por serem tão densas, as estrelas de nêutrons fornecem o teste perfeito para a força forte, permitindo que os cientistas sondem a maneira que quarks e glúons interagem nestas condições. Muitas teorias preveem que o núcleo de uma estrela de nêutrons comprima nêutrons e prótons, liberando os quarks dos quais são construídos. Os cientistas criaram uma versão mais quente destes “quarks” liberados no Relativistic Heavy Ion Collider e no Large Hadron Collider.

A intensa gravidade das estrelas de nêutrons requer que os cientistas usem a teoria geral da relatividade para descrever as propriedades físicas delas. De fato, as medições de estrelas de nêutrons nos dão alguns dos testes mais precisos da relatividade geral que temos atualmente.

Apesar de suas incríveis densidades e gravidade extrema, estrelas de nêutrons ainda conseguem manter uma quantidade surpreendente de estrutura interna, crostas convidativas, oceanos e atmosferas. “Eles são uma mistura estranha de massa de estrela com algumas propriedades de planeta”, diz Chuck Horowitz, professor da Universidade de Indiana.

Mas enquanto aqui na Terra estamos acostumados a ter uma atmosfera que se estende por centenas de km, a gravidade extrema de uma estrela de nêutrons só permite que sua atmosfera se estenda a menos de 30 cm.

Ilustração: Corinne Mucha

3. A estrela de nêutrons giratória mais rápida conhecida gira cerca de 700 vezes por segundo.

Os cientistas acreditam que a maioria das estrelas de nêutrons ou atualmente são ou em algum ponto foram pulsares, estrelas que emitem feixes de ondas de rádio conforme giram. Se um pulsar estiver apontado para nosso planeta, nós vemos estes feixes alcançar da Terra como a luz de um farol.

Os cientistas observaram pela primeira vez estrelas de nêutrons em 1967, quando um estudante de pós-graduação chamado Jocelyn Bell percebeu repetidos pulsos de rádio que chegavam de um pulsar fora do nosso sistema solar (o Prêmio Nobel de Física de 1974 foi para o seu conselheiro de tese, Anthony Hewish, pela descoberta).

Os pulsares podem girar dezenas ou centenas de vezes por segundo. Se você estivesse de pé no equador do pulsar mais rápido conhecido, a velocidade de rotação seria cerca de 1/10 da velocidade da luz.

O Prêmio Nobel de Física de 1993 foi para cientistas que mediram a taxa na qual um par de estrelas de nêutrons que orbitavam entre si estavam espiralando juntas devido à emissão de radiação gravitacional, um fenômeno predito pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein.

Os cientistas do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO, anunciaram em 2016 que eles tinham detectado diretamente ondas gravitacionais pela primeira vez. No futuro, seria possível usar os pulsares como versões gigantescas e ampliadas do experimento LIGO, tentando detectar as pequenas mudanças na distância entre os pulsares e a Terra quando uma onda gravitacional passa.

Ilustração: Corinne Mucha

4. O tipo errado de estrela de nêutrons poderia causar estragos na Terra.

Estrelas de nêutrons podem ser perigosas por causa de seus campos fortes. Se uma estrela de nêutrons entrasse no nosso sistema solar, poderia causar caos, tirando os planetas de suas órbitas e, se chegasse perto o suficiente, até mesmo levantando marés que rasgariam o planeta.

Mas a estrela de nêutrons mais próxima está a cerca de 500 anos-luz de distância. E considerando que Proxima Centauri, a estrela mais próxima à Terra, a pouco mais de 4 anos-luz de distância, não tem influência no nosso planeta, é improvável sentirmos esses efeitos catastróficos tão cedo.

Provavelmente ainda mais perigosa seria a radiação do campo magnético de uma estrela de nêutrons. Magnetares são estrelas de nêutrons com campos magnéticos mil vezes mais fortes que os campos extremamente fortes de pulsares “normais”. Repentinos rearranjos desses campos podem produzir flares parecidos com flares solares, mas muito mais poderosos.

Em 27 de dezembro de 2004, cientistas observaram um raio gama gigante do Magnetar SGR 1806-20, a cerca de 50.000 anos-luz de distância. Em 0,2 segundos o flare irradiava tanta energia quanto o Sol produz em 300.000 anos. O flare saturou muitos detectores de naves espaciais e produziu distúrbios detectáveis ​​na ionosfera da Terra.

Felizmente, não conhecemos qualquer magnetar próximo poderoso o suficiente para causar qualquer dano.

Ilustração: Corinne Mucha

5. Apesar dos extremos das estrelas de nêutrons, os pesquisadores ainda têm maneiras de estudá-las.

Há muitas coisas que não sabemos sobre estrelas de nêutrons – incluindo quantas delas estão lá fora, diz Horowitz. “Conhecemos cerca de 2000 estrelas de nêutrons em nossa própria galáxia, mas esperamos que haja bilhões. Sendo assim, a maioria das estrelas de nêutrons, mesmo em nossa própria galáxia, são completamente desconhecidas.”

Telescópios de rádio, raios X e luz óptica são usados ​​para investigar as propriedades de estrelas de nêutrons. A Neutron Star Interior Composition ExploreR Mission (NICER) da NASA, que está programada para ser anexada à Estação Espacial Internacional em 2017, é uma missão dedicada a aprender mais sobre esses objetos extremos. A NICER vai olhar para os raios-X provenientes de rotação de estrelas de nêutrons para tentar medir mais precisamente suas massas e raios.

Poderíamos também estudar as estrelas de nêutrons através da detecção de ondas gravitacionais. Os cientistas da LIGO esperam detectar ondas gravitacionais produzidas pela fusão de duas estrelas de nêutrons. Estudar tais ondas gravitacionais pode mostrar aos cientistas as propriedades da matéria extremamente densa das quais as estrelas de nêutron são feitas.

Estudar estrelas de nêutrons pode nos ajudar a descobrir a origem dos elementos químicos pesados, incluindo ouro e platina, em nosso universo. Há uma possibilidade de que quando as estrelas de nêutrons colidem, nem tudo é engolido em uma estrela de nêutron mais massiva ou num buraco negro, mas em vez disso uma fração é lançada e forma esses núcleos pesados.

“Se você quiser usar um laboratório do século 24 ou 25”, diz Roger Romani, professor da Universidade de Stanford, “estude as estrelas de nêutrons, é uma maneira de ver as condições que não podemos reproduzir em laboratórios na Terra”.

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