O núcleo de uma estrela de nêutrons é um ambiente tão extremo que os físicos não conseguem concordar sobre o que acontece lá dentro. Mas um novo experimento baseado no espaço – e mais algumas estrelas de nêutrons em colisão – deve revelar se os próprios nêutrons se quebram.
Os alertas começaram na madrugada de 17 de agosto. Ondas gravitacionais produzidas pelo naufrágio de duas estrelas de nêutrons – núcleos densos de estrelas mortas – inundaram a Terra. Os mais de mil físicos do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser Avançado (LIGO) se apressaram em decodificar as vibrações do espaço-tempo que rolavam pelos detectores como o estrondo de um trovão. Milhares de astrônomos correram para testemunhar o brilho posterior. Mas, oficialmente, toda essa atividade foi mantida em segredo. Os dados tiveram que ser coletados e analisados, os artigos escritos. O mundo exterior não saberia por mais dois meses.
A proibição estrita colocou Jocelyn Read e Katerina Chatziioannou, dois membros da colaboração LIGO, em uma situação um pouco embaraçosa. Na tarde do dia 17, os dois estavam programados para liderar um painel em uma conferência dedicada à questão do que acontece sob as condições quase insondáveis no interior de uma estrela de nêutrons. O tópico do painel deles? Como seria uma fusão de estrelas de nêutrons. “Nós meio que saímos na pausa para o café e ficamos sentados apenas olhando um para o outro”, disse Read, professor da California State University, Fullerton. “OK, como vamos fazer isso?”
Os físicos passaram décadas debatendo se as estrelas de nêutrons contêm ou não novas formas de matéria, criadas quando as estrelas quebram o mundo familiar de prótons e nêutrons em novas interações entre quarks ou outras partículas exóticas. Responder a esta pergunta também iluminaria os mistérios astronômicos que cercam as supernovas e a produção de elementos pesados do universo, como o ouro.
Além de observar colisões usando o LIGO, os astrofísicos estão ocupados desenvolvendo formas criativas de sondar estrelas de nêutrons de fora. O desafio é, então, inferir algo sobre as camadas ocultas internas. Mas este sinal LIGO e outros semelhantes – emitido como duas estrelas de nêutrons em pirueta em torno de seu centro de massa, puxam uma sobre a outra como caramelo e, finalmente, se chocam – oferece uma solução totalmente nova para o problema.
Matéria estranha
Uma estrela de nêutrons é o núcleo comprimido de uma estrela massiva – as cinzas superdensas que sobraram após uma supernova. Tem a massa do sol, mas comprimida em um espaço da largura de uma cidade. Como tal, as estrelas de nêutrons são os reservatórios de matéria mais densos do universo – a “última coisa na linha antes de um buraco negro”, disse Mark Alford, físico da Universidade de Washington em St. Louis.
Perfurar um nos levaria ao limite da física moderna. Um centímetro ou dois de átomos normais – ferro e silício, principalmente – se incrustam na superfície como o verniz vermelho brilhante no Gobstopper mais denso do universo. Então, os átomos se comprimem tanto que perdem seus elétrons, que caem em um mar compartilhado. Mais profundamente, os prótons dentro dos núcleos começam a se transformar em nêutrons, que se aglomeram tão próximos que começam a se sobrepor.
Lucy Reading-Ikkanda / Revista Quanta; Fonte: Feryal Özel
Mas os teóricos discutem sobre o que acontece mais adiante, quando as densidades passam duas ou três vezes mais altas do que a densidade de um núcleo atômico normal. Do ponto de vista da física nuclear, estrelas de nêutrons poderiam ser apenas prótons e nêutrons – chamados coletivamente de núcleons – em todo o caminho. “Tudo pode ser explicado por variações de núcleons”, disse James Lattimer, astrofísico da Stony Brook University.
Outros astrofísicos suspeitam do contrário. Os núcleos não são partículas elementares. Eles são compostos de três quarks. Sob imensa pressão, esses quarks podem formar um novo estado de matéria quark. “Os núcleos não são bolas de bilhar”, disse David Blaschke, físico da Universidade de Wroclaw, na Polônia. “Eles são como cerejas. Então você pode comprimi-los um pouco, mas em algum momento você os esmaga.”
Mas, para alguns, a perspectiva de um quark jam como esse é um cenário relativamente básico. Os teóricos há muito especulam que camadas de outras partículas estranhas podem surgir dentro de uma estrela de nêutrons. Conforme os nêutrons são empurrados para mais perto, toda essa energia extra pode ir para a criação de partículas mais pesadas que contêm não apenas os quarks “para cima” e “para baixo” que constituem exclusivamente prótons e nêutrons, mas quarks “estranhos” mais pesados e mais exóticos.
Por exemplo, nêutrons podem ser substituídos por hiperons, partículas de três quark que incluem pelo menos um quark estranho. Experimentos de laboratório podem produzir hiperons, mas eles desaparecem quase imediatamente. No interior das estrelas de nêutrons, elas podem permanecer estáveis por milhões de anos.
Alternativamente, as profundezas ocultas das estrelas de nêutrons podem ser preenchidas com kaons – também feitos de quarks estranhos – que se agrupam em um único pedaço de matéria compartilhando o mesmo estado quântico.
Por décadas, porém, o campo esteve preso. Os teóricos inventam ideias sobre o que pode estar acontecendo dentro das estrelas de nêutrons, mas esse ambiente é tão extremo e desconhecido que os experimentos aqui na Terra não podem alcançar as condições certas. No Laboratório Nacional de Brookhaven e no CERN, por exemplo, os físicos esmagam núcleos pesados como os de ouro e chumbo. Isso cria um estado pastoso de matéria feito de quarks liberados, conhecido como plasma de quark-gluon. Mas esse material é rarefeito, não denso e, em bilhões ou trilhões de graus, é muito mais quente do que o interior da estrela de nêutrons, que fica na casa dos milhões comparativamente frios.
Mesmo a antiga teoria de quarks e núcleos – “cromodinâmica quântica” ou QCD – não pode realmente fornecer respostas. Os cálculos necessários para estudar QCD em ambientes relativamente frios e densos são tão devastadoramente difíceis que nem mesmo os computadores podem calcular os resultados. Os pesquisadores são forçados a recorrer à simplificação excessiva e a atalhos.
A única outra opção é os astrônomos estudarem as estrelas de nêutrons por conta própria. Infelizmente, as estrelas de nêutrons estão distantes, portanto, fracas e difíceis de medir para qualquer coisa, exceto as propriedades básicas de volume. Pior ainda, a física verdadeiramente interessante está acontecendo sob a superfície. “É um pouco como se houvesse um laboratório que está fazendo coisas incríveis”, disse Alford, “mas tudo o que você tem permissão para fazer é ver a luz saindo pela janela”.
Com uma nova geração de experimentos chegando online, no entanto, os teóricos podem em breve obter sua melhor aparência.
Mole ou duro?
O que quer que esteja dentro do núcleo de uma estrela de nêutrons – quarks soltos ou condensados de kaon, ou hiperons, ou apenas núcleos antigos regulares – o material deve ser capaz de suportar o peso esmagador de mais do que a gravidade de um sol. Caso contrário, a estrela entraria em colapso em um buraco negro. Mas diferentes materiais serão comprimidos em diferentes graus quando pressionados pelo torno da gravidade, determinando o quão pesada a estrela pode ser em um determinado tamanho físico.
Presos do lado de fora, os astrônomos trabalham de trás para frente para descobrir de que são feitas as estrelas de nêutrons. Para isso, é útil saber o quão moles ou duras ficam quando espremidas. E, para isso, os astrônomos precisam medir as massas e os raios de várias estrelas de nêutrons.
Em termos de massa, as estrelas de nêutrons mais facilmente pesadas são os pulsares: estrelas de nêutrons que giram rapidamente, espalhando um feixe de rádio pela Terra a cada rotação. Cerca de 10 por cento dos 2.500 pulsares conhecidos pertencem a sistemas binários. À medida que esses pulsares se movem com seus parceiros, o que deveria ser um tique-taque constante de pulsos atingindo a Terra irá variar, traindo o movimento do pulsar e sua localização em sua órbita. E da órbita, os astrônomos podem usar as leis de Kepler e as regras adicionais impostas pela relatividade geral de Einstein para resolver as massas do par.
Até agora, o maior avanço foi a descoberta de estrelas de nêutrons surpreendentemente pesadas. Em 2010, uma equipe liderada por Scott Ransom no Observatório Nacional de Radioastronomia na Virgínia anunciou que eles mediram um pulsar pesando cerca de duas massas solares – tornando-o muito maior do que qualquer outro visto anteriormente. Algumas pessoas duvidaram que tal estrela de nêutrons pudesse existir; que tem consequências imensas para nossa compreensão de como os núcleos se comportam. “Agora é o artigo de observação sobre pulsar mais citado de todos os tempos, por causa dos físicos nucleares”, disse Ransom.
De acordo com alguns modelos de estrelas de nêutrons, que afirmam que a gravidade deve comprimir fortemente as estrelas de nêutrons, um objeto com essa massa deve colapsar completamente em um buraco negro. Isso seria uma má notícia para os condensados de Kaon, que seriam especialmente moles, e é um mau presságio para algumas versões de matéria de quark e hiperons que também comprimem demais. A medição foi confirmada com a descoberta de outra estrela de nêutrons de duas massas solares em 2013.
Os raios são mais complicados. Astrofísicos como Feryal Özel, da Universidade do Arizona, desenvolveram vários truques para calcular o tamanho físico das estrelas de nêutrons observando os raios-X emitidos em suas superfícies. Aqui está uma maneira: você pode olhar para a emissão geral de raios-X, usá-la para estimar a temperatura da superfície e, em seguida, descobrir o tamanho que a estrela de nêutrons precisa ter para emitir a luz observada (corrigindo como a luz se curva espaço-tempo deformado pela gravidade). Ou você pode procurar por pontos quentes na superfície da estrela de nêutrons que giram dentro e fora de vista. O forte campo gravitacional da estrela de nêutrons modificará os pulsos de luz desses pontos quentes. E depois de entender o campo gravitacional da estrela, você pode reconstruir sua massa e raio.
Tomadas pelo valor de face, essas medições de raios-X sugerem que, embora as estrelas de nêutrons possam ser pesadas, elas estão no limite mínimo das previsões: apenas cerca de 20 a 22 quilômetros de largura, segundo Özel.
Aceitar que as estrelas de nêutrons são pequenas e massivas “meio que prendem você, no bom sentido”, disse Özel. Estrelas de nêutrons recheadas com quarks interagindo seriam assim, disse ela, enquanto estrelas de nêutrons compostas apenas de núcleons teriam raios maiores.
Mas Lattimer, entre outros críticos, tem reservas sobre as suposições que entram nas medições de raios-X, que ele chama de falhas. Ele acha que eles fazem os raios parecerem menores do que realmente são.
Ambos os lados esperam que uma solução para a disputa chegue em breve. Em junho passado, a 11ª missão de reabastecimento da SpaceX para a Estação Espacial Internacional trouxe consigo uma caixa de 372 quilos contendo um telescópio de raios-X chamado Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER). Agora, tomando dados, o NICER foi projetado para encontrar o tamanho das estrelas de nêutrons observando os pontos quentes em suas superfícies. O experimento deve produzir melhores medidas de raio de estrelas de nêutrons, incluindo pulsares que já tiveram suas massas medidas.
“Estamos muito ansiosos por isso”, disse Blaschke. Uma massa e um raio bem medidos para uma única estrela de nêutrons derrubariam muitas teorias possíveis de sua estrutura interna, mantendo em jogo apenas aquelas que poderiam produzir aquela combinação particular de tamanho e peso.
E agora, finalmente concordando, há LIGO.
Como uma primeira passagem, o sinal que Read se amontoou sobre o café para discutir em 17 de agosto foi processado como se fosse uma fusão de dois buracos negros, não duas estrelas de nêutrons. Isso era razoável. Os sinais anteriores do LIGO vieram todos de buracos negros, que são bestas mais tratáveis do ponto de vista computacional. Mas esse sinal envolveu objetos mais leves e durou muito mais tempo do que as fusões de buracos negros. “É imediatamente óbvio que este não era o mesmo tipo de sistema em que estávamos treinados”, disse Read.
Quando dois buracos negros espiralam juntos, eles liberam energia orbital para o espaço-tempo como ondas gravitacionais. Mas no segundo final ou mais do novo sinal LIGO de 90 segundos, cada objeto fez algo que os buracos negros não fazem: se deformou. O par começou a esticar e apertar a matéria um do outro, gerando marés que roubaram energia de suas órbitas. Isso os fez colidir mais rápido do que de outra forma.
Depois de alguns meses frenéticos executando simulações de computador, o grupo de Read dentro do LIGO lançou sua primeira medição do efeito dessas marés no sinal. Até agora, a equipe pode definir apenas um limite superior – o que significa que as marés têm um efeito fraco ou até mesmo imperceptível. Por sua vez, isso significa que as estrelas de nêutrons são fisicamente pequenas, com sua matéria muito presa em torno de seus centros e, portanto, mais resistentes a serem puxadas pelas marés. “Acho que a primeira medição de onda gravitacional é, em certo sentido, uma espécie de confirmação dos tipos de coisas que as observações de raios-X têm dito”, disse Read. Mas esta não é a última palavra. Ela espera que uma modelagem mais sofisticada do mesmo sinal produza uma estimativa mais precisa.
Com o NICER e o LIGO oferecendo novas maneiras de olhar para as estrelas de nêutrons, muitos especialistas estão otimistas de que os próximos anos fornecerão respostas inequívocas à questão de como o material resiste à gravidade. Mas teóricos como Alford alertam que apenas medir a elasticidade da matéria da estrela de nêutrons não revelará totalmente o que é.
Talvez outras assinaturas possam dizer mais. As observações em andamento da taxa de resfriamento das estrelas de nêutrons, por exemplo, devem permitir que os astrofísicos especulem sobre as partículas dentro delas e sua capacidade de irradiar energia. Ou observações de como seus giros diminuem com o tempo podem ajudar a determinar a viscosidade de seu interior.
Em última análise, apenas saber quando a matéria densa muda de fase e no que se transforma é uma meta digna, argumenta Alford. “Mapear as propriedades da matéria sob diferentes condições”, disse ele, “meio que é física.”
Publicado em 23/04/2021 08h56
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