A pele de nêutrons é o que impede as estrelas de nêutrons de implodir em buracos negros.
Os físicos mediram a pele microscopicamente fina de nêutrons envolvendo o interior dos átomos de chumbo pela primeira vez, descobrindo que ela é mais espessa do que o esperado. A descoberta pode ajudar a desvendar alguns dos mistérios das estrelas de nêutrons – corpos estelares ultradensos que estão repletos de nêutrons.
A pele de um átomo é uma coisa estranha de se imaginar. A imagem popular do núcleo atômico tende a representar prótons e nêutrons sendo empacotados juntos aleatoriamente dentro de uma esfera – como chicletes em um dispensador de vidro antigo. Mas, na realidade, os elementos mais pesados tendem a distribuir seus blocos de construção de maneira mais desigual, com alguns nêutrons deslocados para fora para formar uma “película” fina que envolve o núcleo de nêutrons e prótons mistos.
“Os prótons em um núcleo de chumbo estão em uma esfera, e descobrimos que os nêutrons estão em uma esfera maior ao redor deles, e chamamos isso de pele de nêutrons”, co-autor do estudo Kent Paschke, professor de nuclear experimental e partículas física da Universidade da Virgínia, disse em um comunicado.
Como a pele é criada pela densidade absoluta de prótons e nêutrons internos pressionando os nêutrons restantes, uma medição da pele de nêutrons é uma maneira prática de medir a densidade de todo o núcleo. Para fazer isso, os pesquisadores começaram a medir a diferença de tamanho entre as esferas “interna” e “externa” do chumbo-208 – um isótopo de chumbo com 126 nêutrons e 82 prótons.
Encontrar o tamanho da esfera interna foi bastante fácil e já havia sido feito antes. Paschke e sua equipe dispararam partículas eletricamente carregadas contra os prótons carregados positivamente no centro do átomo e, em seguida, mediram como as partículas carregadas ricocheteavam nos prótons. Os nêutrons da esfera externa, entretanto, não têm carga. Isso significa que um método diferente foi necessário para medir sua densidade – um usando o momento angular de elétrons espalhados.
Ao disparar um feixe de elétrons precisamente controlado em uma folha fina do isótopo de chumbo, resfriado a temperaturas criogênicas para tornar os núcleos um alvo estacionário, os pesquisadores mediram a maneira distinta como os elétrons com momentos angulares específicos foram desviados após interagirem com os nêutrons. Como os elétrons TK quando eles TK, os pesquisadores poderiam usar os elétrons desviados para criar uma imagem da espessura da pele do nêutron. Eles descobriram que ele tem cerca de 0,28 trilionésimos de milímetro de espessura, dez bilhões de vezes mais fino do que um glóbulo vermelho. Isso é um pouco mais espesso do que os físicos pensaram que seria.
“Esta é a observação mais direta da pele de nêutrons. Estamos descobrindo o que chamamos de equação de estado rígida – pressão maior do que a esperada, de modo que é difícil espremer esses nêutrons no núcleo”, disse Paschke. A equação de estado é a equação que descreve o estado da matéria sob um determinado conjunto de condições. “E assim, estamos descobrindo que a densidade dentro do núcleo é um pouco menor do que o esperado.”
Saber a espessura dessa pele não é apenas vital para compreender as propriedades dos átomos, mas também para compreender as estrelas de nêutrons – os restos ultradensos de estrelas massivas formadas após enormes explosões estelares, ou supernovas. Como as estrelas de nêutrons são compostas de 90% de nêutrons, compreender como os nêutrons se estruturam dentro dos átomos também ajudará a esclarecer os limites que eles colocam no tamanho desses misteriosos remanescentes estelares – e como a pele de nêutrons parece impedir a gravidade de esmagá-los até que eles tornam-se buracos negros.
Como o chumbo é um dos materiais mais densos encontrados na Terra, a densidade de sua pele de nêutrons é um excelente ponto de comparação com a estrela de nêutrons incrivelmente densa. Uma segunda equipe de pesquisadores, trabalhando com base no estudo da primeira equipe na liderança, foi capaz de atualizar as estimativas anteriores do raio de uma estrela de nêutrons de um máximo de 7,5 milhas (12 quilômetros) a um máximo de 8,9 milhas (14,25 km).
“Não há experimento que possamos realizar em laboratório que possa sondar a estrutura da estrela de nêutrons”, disse Jorge Piekarewicz, coautor do segundo estudo e físico da Florida State University, em um comunicado. “Uma estrela de nêutrons é um objeto tão exótico que não fomos capazes de recriá-lo no laboratório. Portanto, qualquer coisa que possa ser feita no laboratório para restringir ou nos informar sobre as propriedades de uma estrela de nêutrons é muito útil.”
Apesar da natureza preliminar desses resultados, Piekarewicz tinha certeza de que eles seriam usados junto com resultados futuros para desvendar ainda mais a natureza misteriosa das estrelas de nêutrons.
“Está ampliando as fronteiras do conhecimento”, disse Piekarewicz. “Todos nós queremos saber de onde viemos, do que o universo é feito e qual é o destino final do universo.”
Publicado em 25/05/2021 06h30
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