Imagine pegar toda a água do Lago Michigan – mais de um quatrilhão de galões – e espremê-la em um balde de 4 galões, do tipo que você encontraria em uma loja de ferragens.
Uma rápida revisão dos números sugere que isso deveria ser impossível: isso é muita coisa e não há espaço suficiente. Mas essa densidade estranha é uma característica definidora dos objetos celestes conhecidos como estrelas de nêutrons. Essas estrelas têm apenas cerca de 24 quilômetros de diâmetro, mas mantêm mais massa do que o nosso Sol, graças a uma física extrema.
Liderada por pesquisadores da Michigan State University, uma colaboração internacional agora emula as condições cósmicas de uma estrela de nêutrons na Terra para investigar melhor essa ciência extrema. A equipe compartilhou seus resultados na revista Physical Review Letters.
Para o experimento, a equipe selecionou o estanho para ajudar a criar uma sopa nuclear densa que é rica em nêutrons, ajudando a imitar o ambiente das estrelas de nêutrons mais de perto. A equipe acelerou um feixe feito de núcleos de estanho a quase dois terços da velocidade da luz no RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science do Japão. A pesquisa foi financiada pelo Office of Nuclear Physics do Departamento de Energia dos EUA, Office of Science, ou DOE-SC, e pelo Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia – Japão, ou MEXT, Japão.
Os pesquisadores enviaram esse feixe através de um alvo fino de estanho, ou folha, para esmagar núcleos de estanho. Os núcleos se estilhaçam e por apenas um instante – um bilionésimo de um trilionésimo de segundo – os destroços existem como uma região superdensa de blocos de construção nuclear chamados prótons e nêutrons. Embora esse ambiente seja passageiro, ele vive o suficiente para criar partículas raras chamadas píons (que se pronuncia “torta” – o “pi” vem da letra grega Π).
Ao criar e detectar esses píons, a equipe está permitindo que os cientistas respondam melhor às perguntas persistentes sobre a ciência nuclear e as estrelas de nêutrons. Por exemplo, este trabalho pode ajudar os cientistas a caracterizar melhor a pressão interna que impede as estrelas de nêutrons de entrar em colapso sob sua própria gravidade e se tornarem buracos negros.
“O experimento que realizamos não pode ser feito em outro lugar, exceto dentro de estrelas de nêutrons”, disse Betty Tsang, professora de ciência nuclear e pesquisadora do Laboratório Nacional de Ciclotron Supercondutor, ou NSCL, da MSU.
Infelizmente, os cientistas não podem se estabelecer dentro de estrelas de nêutrons. Além de altas temperaturas e esmagamento das forças gravitacionais, a estrela de nêutrons mais próxima está a cerca de 400 anos-luz de distância.
Existe, no entanto, outro lugar no universo onde os cientistas podem observar a matéria compactada com uma densidade tão incrível. Isso ocorre em laboratórios de aceleradores de partículas, onde os cientistas podem esmagar os núcleos dos átomos, ou núcleos, para comprimir grandes quantidades de matéria nuclear em volumes muito pequenos.
Claro, isso também não é moleza.
“O experimento é muito difícil”, disse Tsang. “É por isso que a equipe está tão animada com isso.” Tsang e William Lynch, professor de física nuclear no Departamento de Física e Astronomia da MSU, lideram o contingente espartano de pesquisadores da equipe internacional.
Para realizar seus objetivos coletivos neste estudo, os institutos colaboradores cada um jogou com seus pontos fortes.
“É por isso que acumulamos colaboradores”, disse Tsang. “Resolvemos problemas expandindo o grupo e convidando pessoas que realmente sabem o que estão fazendo.”
MSU, que abriga o programa de pós-graduação em física nuclear mais bem classificado dos Estados Unidos, assumiu a liderança na construção do detector de píons. O instrumento, denominado SΠRIT Time Projection Chamber, foi construído com colaboradores da Texas A&M University e RIKEN.
O acelerador de partículas RIKEN ofereceu a potência e os raros núcleos de estanho ricos em nêutrons necessários para criar um ambiente que lembra uma estrela de nêutrons. Pesquisadores da Universidade Técnica de Darmstadt, na Alemanha, contribuíram com os alvos de estanho que deveriam atender às especificações exatas. Alunos, funcionários e professores de outras instituições na Ásia e na Europa ajudaram a construir o experimento e a analisar os dados.
Esta experiência no acelerador RIKEN ajudou a levar essa compreensão a novos patamares em termos de energia e densidade, mas existem muitos outros desafios.
Quando o Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, estiver operacional em 2022, ele também promete ser um centro de colaboração internacional em ciência nuclear. E a instalação será exclusivamente equipada para continuar a explorar como os sistemas nucleares se comportam em densidades e energias extremas.
“Quando o FRIB estiver online, ele nos dará mais opções de feixes e nos permitirá fazer medições muito mais precisas”, disse Tsang. “E isso nos permitirá entender melhor o interior das estrelas de nêutrons e descobrir coisas ainda mais intrigantes, mais surpreendentes.”
Publicado em 22/04/2021 09h00
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