Resultados inovadores mostram que estrelas de nêutrons de diferentes massas podem ter o mesmo tamanho – modelos astrofísicos revolucionários.
No universo conhecido, não há nada como uma estrela de nêutrons. Nascidos de supernovas, esses objetos contêm uma massa do tamanho de uma estrela em um espaço do tamanho de uma cidade. Essa característica única levou os cientistas a acreditar que alguma física extrema pode ocorrer em suas entranhas – talvez até a dissolução dos próprios nêutrons em uma gosma mais suave conhecida como matéria quark.
No entanto, não podemos perscrutar o interior das estrelas de nêutrons; portanto, devemos confiar nas características que podemos medir, a saber, sua massa e tamanho. A matéria de quark deve ser mais comprimida pela gravidade da estrela do que nêutrons intactos, então, se estrelas de nêutrons estão cheias de gosma nuclear, elas não devem apenas ser pequenas, mas ficar menores conforme suas massas aumentam.
Infelizmente, é extremamente difícil medir a largura de um objeto com quilômetros de largura que está a milhares de anos-luz de distância. Medições combinadas de massa e tamanho de estrelas de nêutrons são, para usar uma analogia bem-amada, um “Santo Graal para a física de estrelas de nêutrons”, disse Micaela Oertel, física teórica do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica.
Mas então, em 2019, o observatório de estrelas de nêutrons da NASA, o “Interior Composition Explorer” (NICER), um telescópio de raios-X instalado na Estação Espacial Internacional, em operação desde dois anos antes, mediu o tamanho de uma estrela de nêutrons de 1,4 massa solar chamada J0030, que é de 1.000 luz. anos da Terra, a cerca de 26 quilômetros de diâmetro. Agora, usando dados do NICER, duas equipes independentes realizaram a mesma análise para outra estrela de nêutrons, J0740, localizada a 3.000 anos-luz da Terra.
Os resultados são surpreendentes. Com 2,1 massas solares, J0740 é a estrela de nêutrons mais massiva conhecida – cerca de 50% mais massiva do que J0030. No entanto, os dois são essencialmente do mesmo tamanho – as duas equipes chegam a 24,8 ou 27,4 quilômetros de diâmetro para o primeiro, com incertezas de vários quilômetros. Os resultados, que ainda não foram revisados por pares, foram postados no site de pré-impressão online arxiv.org no início deste mês.
A descoberta implica que as estrelas de nêutrons podem ser bizarras, mas não tão bizarras a ponto de obliterar os próprios nêutrons. “Isso pode sugerir que esses estados muito exóticos da matéria podem não ser realidade no núcleo de uma estrela de nêutrons”, disse Jorge Piekarewicz, um físico teórico da Florida State University.
A procura do que está esmagado:
As estrelas de nêutrons são formadas quando uma estrela gigante entre cerca de oito e 20 vezes a massa do nosso Sol esgota seu combustível no final de sua vida. Sem pressão externa para empurrar contra a gravidade da estrela, ela entra em colapso. As camadas externas explodem como uma supernova, deixando apenas o núcleo denso para trás – a estrela de nêutrons – compactada em um volume do tamanho de Manhattan.
Abaixo de uma fina crosta feita de íons e elétrons está o núcleo da estrela de nêutrons, respondendo por até 99% de sua composição total. Aqui, prótons e elétrons estão tão comprimidos que formam um mar de nêutrons. Empurre essas densidades ainda mais em direção ao núcleo interno, no entanto, e algo ainda mais estranho pode ocorrer. “Em vez de nêutrons e prótons individuais, você tem um mar de quarks, os constituintes dos nêutrons e prótons”, disse Cole Miller, astrofísico da Universidade de Maryland e principal autor de um dos novos artigos. “Não está claro onde isso acontece.”
Até agora, alguns modelos previam que estrelas de nêutrons com massa suficiente – talvez até J0740 com 2,1 massas solares – criariam densidades tão imensas que dividiriam nêutrons e prótons em seus quarks constituintes. Como suas entranhas experimentaram uma transição de matéria regular para matéria quark relativamente “comprimível”, “o raio deve ficar menor”, disse Anna Watts, astrofísica da Universidade de Amsterdã e co-líder em outro jornal.
Por outro lado, alguns modelos previram o contrário. A transição de fase – se é que ocorre – pode não acontecer até perto do ponto onde as estrelas de nêutrons colapsam em buracos negros. (A linha divisória precisa não é conhecida exatamente, mas acredita-se que seja em torno de 3 massas solares.) “A questão é”, disse Watts, “se há algo estranho que se forma em alta densidade, quando ele entra em ação?”
Se estrelas de nêutrons como J0740 passaram por essa transição de fase e continham mais matéria quark “comprimível”, ela deveria ter medido entre 9 e 16 quilômetros de diâmetro, disse Watts. No entanto, mesmo com as incertezas levadas em consideração, os pesquisadores estabeleceram um “limite inferior bastante forte” de 22 quilômetros de largura, disse Miller.
Os resultados sugerem que as estrelas de nêutrons formam matéria quark em algum ponto além de 2,1 massas solares, ou talvez nunca. Em vez disso, prótons e nêutrons podem simplesmente persistir mesmo nas escalas mais extremas. “Certamente parece que os modelos mais moles estão descartados”, disse Watts.
As cambalhotas de uma estrela
O NICER pode medir os raios de estrelas de nêutrons devido a uma peculiaridade das próprias estrelas de nêutrons. Conforme eles giram rapidamente, os pontos quentes em sua superfície – pólos magnéticos como os encontrados na Terra, mas muito ampliados – giram junto com eles, emitindo raios-X. Por causa da intensa gravidade das estrelas de nêutrons, mesmo os flashes que acontecem do outro lado da estrela serão curvados pela gravidade e enviados em nossa direção. O NICER mede com precisão os tempos de chegada desses flashes de raios-X, o que permite aos cientistas reconstruir o tamanho da estrela de nêutrons.
Um resultado recente separado do Lead Radius Experiment (PREx) no Jefferson Lab na Virgínia parece apoiar as descobertas transformacionais do NICER. Ao disparar um feixe de elétrons contra o chumbo, os cientistas descobriram que a chamada “pele” de nêutrons – a quantidade de nêutrons espaciais ocupados em um átomo de chumbo – era maior do que a pele do próton. Esta diferença sugere que as estrelas de nêutrons devem ser até 2 quilômetros maiores do que as previsões anteriores. “Isso é totalmente consistente com o NICER”, disse Piekarewicz, parte da equipe PREx. Os resultados foram publicados na Physical Review Letters.
Os resultados do NICER ainda estão em um estágio inicial. Eles precisarão ser verificados e as incertezas refinadas. O raio de uma terceira estrela de nêutrons está em processo de medição, o que pode desempenhar um grande papel na confirmação ou refutação das descobertas. “Esperamos poder anunciar [seu tamanho] ainda este ano”, disse Zaven Arzoumanian, chefe de ciência do NICER no Goddard Space Flight Center da NASA. “E talvez mais alguns além disso.”
Mas, até agora, os resultados apontam para algo intrigante. Mesmo as estrelas de nêutrons, as coleções mais densas de matéria do universo, podem não ser densas o suficiente para produzir algumas formas de matéria exótica. “Esta é a primeira evidência forte contra uma transição de fase dramática no núcleo de estrelas de nêutrons”, disse Piekarewicz. E se isso não acontece em estrelas de nêutrons, pode acontecer em qualquer outro lugar? “Receio que não.”
Publicado em 27/05/2021 06h48
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/squishy-neutron-star-setback-dampens-hopes-of-exotic-matter-20210526/
Estudo original: