Cinco fatos extremos sobre estrelas de nêutrons

"Imagine um pouco de chumbo com algodão doce em volta", diz Alford. “Isso é um átomo. Toda a massa está no pequeno pellet de chumbo no meio, e há uma grande nuvem de elétrons ao redor, como algodão doce.

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

As estrelas de nêutrons são bem pequenas, até onde vão os objetos estelares. Embora os cientistas ainda estejam trabalhando para fixar seu diâmetro exato, eles estimam que eles estão em torno de 12 a 17 milhas de diâmetro, quase toda a extensão de Manhattan. Apesar disso, eles têm cerca de 1,5 vezes a massa do nosso sol.

Se uma estrela de nêutrons fosse mais densa, ela cairia em um buraco negro e desapareceria, diz Alford. "É o próximo a última parada na linha."

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

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

A matéria comum contém aproximadamente números iguais de prótons e nêutrons. Mas a maioria dos prótons de uma estrela de nêutrons se converte em nêutrons - as estrelas de nêutrons são constituídas de cerca de 95% de nêutrons. Quando os prótons se convertem em nêutrons, eles liberam partículas onipresentes chamadas neutrinos.

Estrelas de nêutrons são feitas em explosões de supernovas que são fábricas gigantes de neutrinos. Uma supernova irradia 10 vezes mais neutrinos do que partículas, prótons, nêutrons e elétrons ao sol.

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 achatar quase qualquer coisa na superfície. Os campos magnéticos de estrelas de nêutrons podem ser um bilhão de vezes para um milhão de bilhões de vezes o campo magnético na superfície da Terra.

"Tudo sobre estrelas de nêutrons é extremo", diz James Lattimer, professor da Universidade Stony Brook. "Isso chega ao ponto de ser quase ridículo."

Por serem tão densas, as estrelas de nêutrons fornecem o testbed perfeito para a força forte, permitindo aos cientistas investigar como os quarks e os glúons interagem sob essas condições. Muitas teorias prevêem que o núcleo de uma estrela de nêutrons comprime nêutrons e prótons, liberando os quarks dos quais são construídos. Os cientistas criaram uma versão mais quente desta “matéria quark” liberada no Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​e no Grande Colisor de Hádrons.

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

Apesar de suas incríveis densidades e extrema gravidade, as estrelas de nêutrons ainda conseguem manter uma quantidade surpreendente de estrutura interna, abrigando crostas, oceanos e atmosferas. "Eles são uma mistura estranha de algo como a massa de uma estrela com algumas das outras propriedades de um 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 quilômetros, porque a gravidade de uma estrela de nêutrons é tão extrema, sua atmosfera pode se estender por menos de trinta centímetros.

3. A estrela de nêutrons em rotação mais rápida gira cerca de 700 vezes por segundo.

Os cientistas acreditam que a maioria das estrelas de nêutrons atualmente são ou em um ponto foram pulsares, estrelas que emitem feixes de ondas de rádio à medida que giram rapidamente. Se um pulsar está apontado para o nosso planeta, vemos esses raios varrerem a Terra como a luz de um farol.

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

Pulsares podem girar de dezenas a centenas de vezes por segundo. Se você estivesse em pé no equador do pulsar mais rápido conhecido, a velocidade rotacional seria de 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 orbitando umas às outras estavam em espiral devido à emissão de radiação gravitacional, um fenômeno previsto pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein.

Cientistas do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser, ou LIGO, anunciaram em 2016 que detectaram diretamente ondas gravitacionais pela primeira vez. No futuro, pode ser possível usar os pulsares como versões gigantes e ampliadas do experimento LIGO, tentando detectar as pequenas mudanças na distância entre os pulsares e a Terra à medida que uma onda gravitacional passa. 

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 em nosso sistema solar, poderia causar o caos, expulsar as órbitas dos planetas e, se chegasse perto o suficiente, até mesmo elevar as marés que separariam o planeta.

Mas a estrela de neutrões mais próxima está a cerca de 500 anos-luz de distância. E considerando que Proxima Centauri, a estrela mais próxima da Terra a pouco mais de 4 anos-luz de distância, não tem influência em nosso planeta, é improvável que sintamos esses efeitos catastróficos tão cedo.

Provavelmente ainda mais perigoso seria a radiação do campo magnético de uma estrela de nêutrons. Os magnetares são estrelas de nêutrons com campos magnéticos mil vezes mais fortes que os campos extremamente fortes dos pulsares “normais”. Rearranjos súbitos desses campos podem produzir chamas semelhantes a erupções solares, mas muito mais poderosas.

Em 27 de dezembro de 2004, cientistas observaram uma explosão de raios gama gigante da Magnetar SGR 1806-20, estimada em cerca de 50.000 anos-luz de distância. Em 0,2 segundos, o clarão irradiava tanta energia quanto o sol produz em 300 mil anos. O flare saturou muitos detectores de espaçonaves e produziu perturbações detectáveis ​​na ionosfera da Terra.

Felizmente, não temos conhecimento de nenhum magnetares próximos suficientemente poderosos para causar qualquer dano.

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

Há muitas coisas que não sabemos sobre estrelas de nêutrons - incluindo quantas delas estão por aí, diz Horowitz. “Nós sabemos de cerca de 2000 estrelas de nêutrons em nossa própria galáxia, mas esperamos que haja bilhões a mais. Então, a maioria das estrelas de nêutrons, mesmo em nossa própria galáxia, é completamente desconhecida ”.

Muitos radiotelescópios, raios-X e ópticos são usados ​​para investigar as propriedades das estrelas de nêutrons. A Próxima Missão de Exploração de Composição de Interiores da Nêutron Star da NASA (NICER), que está programada para anexar ao lado da Estação Espacial Internacional em 2017, é uma missão dedicada a aprender mais sobre esses objetos extremos. NICER examinará os raios X provenientes de estrelas de nêutrons rotativas para tentar fixar com mais precisão sua massa e seus raios.

Poderíamos também estudar estrelas de nêutrons detectando ondas gravitacionais. Os cientistas do Ligo esperam detectar ondas gravitacionais produzidas pela fusão de duas estrelas de nêutrons. Estudar essas ondas gravitacionais pode indicar aos cientistas as propriedades da matéria extremamente densa de que são feitas as estrelas de nêutrons.

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

"Se você quiser usar o laboratório do século 24 ou 25", diz Roger Romani, professor da Universidade de Stanford, "então estudar estrelas de nêutrons é uma maneira de olhar para condições que não podemos produzir em laboratórios na Terra".

Fonte: Symmetrymagazine.org