Cinco fatos extremos sobre as estrelas de nêutrons

Estrelas de nêutrons têm ganhado sua quota de superlativos desde a sua descoberta em 1967.

A medida que uma estrela massiva morre, expulsando a maior parte de suas entranhas através do universo em uma explosão de supernova, o seu coração de ferro, o núcleo da estrela, entra em colapso para criar a forma mais densa de matéria observável no universo: uma estrela de nêutrons. 

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

"Imagine uma pequena pastilha de chumbo com doces de algodão em torno dele", diz Alford. "Isso é um átomo. Toda a massa está na pequena pastilha de chumbo no meio, e há essa grande nuvem de elétrons em torno dele, como algodão doce." 

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

Estrelas de nêutrons são muito pequenas, tanto quanto objetos estelares são. Embora os cientistas ainda estejam trabalhando na fixação exata de seu diâmetro, eles estimam que elas tem algo em torno de 12 a 17 milhas, quase o comprimento de Manhattan. Apesar disso, elas têm cerca de 1,5 vezes a massa do nosso Sol.

Se uma estrela de nêutrons fosse mais denso, elA entraria em colapso em um buraco negro e desaparecia, diz Alford. 

Esses objetos extremos oferecem casos de teste intrigantes que poderiam ajudar os físicos a compreender as forças fundamentais, a relatividade geral e início do universo. Aqui estão alguns fatos fascinantes para deixá-lo por dentro do tema:

Ilustração por Corinne Mucha

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

A matéria comum contém aproximadamente o mesmo número de prótons e nêutrons. Mas a maioria dos prótons em uma estrela de nêutrons são convertidos em nêutrons - estrelas de nêutrons são compostas de aproximadamente 95 por cento de nêutrons. Quando prótons convertem-se em nêutrons, eles liberam partículas onipresentes chamadas neutrinos. 

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

Ilustração por Corinne Mucha

2. Tem sido especulado que, se houvesse vida em estrelas de nêutrons, ela seria bidimensional.

Estrelas de nêutrons têm alguns dos mais fortes campos gravitacionais e magnéticos no universo. A gravidade é forte o suficiente para achatar quase qualquer coisa na superfície. Os campos magnéticos de estrelas de nêutrons pode ter um bilhão de vezes a um trilhão de vezes o campo magnético na superfície da Terra. 

"Tudo nas estrelas de nêutrons é extremo", disse James Lattimer, professor da Stony Brook University. 

Como essas estrelas são tão densas, elas fornecem o teste perfeito para a força forte, permitindo aos cientistas sondarem a forma como os quarks e glúons interagem sob estas condições. Muitas teorias preveem que o núcleo de uma estrela de nêutrons comprime prótons e nêutrons, liberando os quarks - partículas nas quais eles são constituídos. Cientistas criaram uma versão mais quente desta liberação de "matéria quark" no Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​e no Large Hadron Collider. 

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

Apesar de suas densidades incríveis e extrema gravidade, estrelas de nêutrons ainda conseguem manter uma quantidade surpreendente de estrutura interna, crostas, oceanos e atmosferas. "Eles são uma mistura estranha de algo com tem 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 habituados a ter uma atmosfera que se estende centenas de milhas para o céu, a gravidade de uma estrela de nêutrons é tão extrema, sua atmosfera pode esticar-se a apenas um pé de altura.

Ilustração por Corinne Mucha

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

Os cientistas acreditam que a maioria das estrelas de nêutrons seja atualmente ou já foram pulsares, estrelas que cospem feixes de ondas de rádio enquanto giram rapidamente. Se um pulsar é apontado para o nosso planeta, vemos estes feixes varrerem a Terra como a luz de um farol.

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

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

O Prêmio Nobel de 1993 em Física foi para os cientistas que mediram a taxa na qual um par de estrelas de nêutrons que orbitam entre si mesmas em espiral conjunta, devido à emissão de radiação gravitacional, um fenômeno previsto pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein.

Cientistas do Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer, ou LIGO, anunciaram em 2016 que haviam detectado diretamente ondas gravitacionais, pela primeira vez. No futuro, poderá ser possível usar pulsares como versões gigantes do experimento LIGO, tentando detectar as pequenas mudanças na distância entre os pulsares e Terra quando uma onda gravitacional passa.

Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago

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

Estrelas de nêutrons podem ser perigosas por causa de seus fortes campos. Se uma estrela de nêutrons entrar no nosso sistema solar, ela poderia causar o caos, jogando fora as órbitas dos planetas e, se chegou perto o suficiente,  serão capazes de aumentar as marés que rasgariam o planeta.

Mas a estrela de nêutrons mais próxima conhecida está a cerca de 500 anos-luz de distância. E considerando que a Proxima Centauri, a estrela mais próxima da Terra tem um pouco mais de 4 anos-luz de distância,  não tem qualquer influência em nosso planeta, é improvável que sentiremos estes efeitos catastróficos.

Provavelmente ainda mais perigoso seria a radiação do campo magnético de uma estrela de nêutrons. Magnetares são estrelas de nêutrons com campos magnéticos mil vezes mais fortes do que os campos extremamente fortes de pulsares "normais". Rearranjos súbitos destes campos podem produzir erupções como as erupções solares, porém muito mais poderosas.

Em 27 de dezembro de 2004, cientistas observaram uma explosão de raios-gama gigante no Magnetar SGR 1806-20, estimada em cerca de 50.000 anos-luz de distância. Em 0,2 segundos, a chama irradiou tanta energia quanto o Sol produziu em 300.000 anos. O alargamento saturou muitos detectores de naves espaciais e produziu distúrbios detectáveis ​​na ionosfera da Terra.

Felizmente, não temos conhecimento de quaisquer magnetares próximos poderosos o suficiente para causar qualquer dano.

Ilustração por Corinne Mucha

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 existem, diz Horowitz. "Sabemos que existem cerca de 2000 estrelas de nêutrons em nossa própria galáxia, mas esperamos que haja mais bilhões. Assim, a maioria das estrelas de nêutrons, mesmo em nossa própria galáxia, são completamente desconhecidas."

Muitos telescópios de rádio, raios X e luz óptica são usados ​​para investigar as propriedades das estrelas de nêutrons. A próxima missão da NASA, a Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) que está programada para anexar-se ao lado da Estação Espacial Internacional em 2017, é uma missão dedicada a aprender mais sobre esses objetos extremas. NICER vai observar raios-X vindos de estrelas de nêutrons em rotação para tentar depurar com mais precisão a massa e o raio desses objetos. 

Nós também poderíamos estudar as estrelas de nêutrons através da detecção de ondas gravitacionais. Cientistas do LIGO esperam detectar ondas gravitacionais produzidas pela fusão de duas estrelas de nêutrons. Estudar essas ondas gravitacionais pode indicar aos cientistas às propriedades da matéria extremamente densa nas quais as estrelas de nêutrons 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 seja engolido em uma estrela de nêutrons mais massiva ou um buraco negro, mas em vez disso, uma fração é arremessada para fora e forma estes núcleos pesados.

"Se você não quiser esperar o século 24 ou 25, estudar as estrelas de nêutrons é uma maneira de observar as condições que não podemos produzir em laboratórios na Terra.", diz Roger Romani, professor da Universidade de Stanford.

Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine