(Imagem: © Shutterstock)
As estrelas de nêutrons são os fantasmas furiosos de estrelas gigantes: núcleos quentes e giratórios de matéria exótica deixados para trás após as supernovas. Como as garrafas térmicas com sopa de macarrão quente, levam eras para esfriarem. Mas agora os pesquisadores acham que sabem como essas estrelas fazem isso: com uma porção gigante de macarrão.
Não, esses cadáveres estelares ultradensos não estão cheios de espaguete. Em vez disso, as estrelas de nêutrons se resfriam liberando partículas etéreas conhecidas como neutrinos. E o novo estudo mostra que eles realizam essa tarefa graças a um tipo intermediário de matéria conhecido como massa nuclear, um material ondulado e enrolado no qual os átomos quase, mas não totalmente, se aglomeram. Essa estrutura de massa nuclear cria regiões de baixa densidade dentro das estrelas, permitindo aos neutrinos e ao calor uma saída.
Calor retido
Uma colher de chá de matéria raspada da superfície de uma estrela de nêutrons pesaria bilhões de toneladas, mais do que todos os seres humanos juntos na Terra. Essa densidade os ajuda a reter o calor extremamente bem. E enquanto nosso Sol, que é considerado uma estrela anã amarela, libera a maior parte de seu calor na forma de luz, as partículas de luz produzidas dentro de uma estrela de nêutrons raramente chegam à superfície para escapar. Ainda assim, essas furiosas estrelas mortas-vivas – cada uma do tamanho de uma cidade média – eventualmente se acalmam, principalmente pela emissão de neutrinos.
Para entender como eles esfriam, os pesquisadores de um novo estudo, publicado em 6 de outubro na revista Physical Review C, examinaram mais de perto a matéria dentro das estrelas de nêutrons.
Estrelas comuns são feitas de matéria convencional, ou átomos: minúsculas bolas de prótons e nêutrons rodeadas por nuvens rodopiantes de elétrons relativamente enormes. O interior das estrelas de nêutrons, por sua vez, é tão denso que a estrutura atômica se quebra, criando um vasto oceano da chamada matéria nuclear. Fora das estrelas de nêutrons, a matéria nuclear se refere às coisas dentro dos núcleos atômicos, bolas densas de prótons e nêutrons. E é governado por regras complexas que os cientistas ainda não entendem completamente
Massa é o que fica entre a matéria convencional e a matéria nuclear.
“Massa é algo intermediário entre a matéria nuclear e a matéria convencional”, disse o co-autor do estudo Charles Horowitz, físico da Universidade Estadual de Illinois. “Se você começar a apertar a matéria com muita, muita força em uma estrela de nêutrons, os núcleos ficam cada vez mais próximos e eventualmente eles começam a se tocar “, disse Horowitz ao Live Science. “E quando eles começam a se tocar, coisas estranhas acontecem.”
Em algum ponto, as pressões aumentam o suficiente para que a estrutura da matéria convencional desmorone inteiramente em um caldo nuclear indiferenciado. Mas um pouco antes disso, existe uma região de macarrão.
Na zona da massa, a repulsão de Coulomb (a força que separa as partículas carregadas) e a atração nuclear (a força que une prótons e nêutrons a distâncias muito curtas) começam a agir uns contra os outros. Em regiões onde os núcleos se tocam, mas a estrutura atômica não se decompôs totalmente, a matéria se contorce em formas complicadas, chamadas de “massa”. Os cientistas têm palavras para as diferentes variedades desse produto: nhoque, waffle, lasanha e anti-espaguete.
“As formas realmente se parecem com formas de massa”, disse Horowitz.
Os cientistas sabem há quase toda a última década que essa massa está dentro das estrelas de nêutrons, logo abaixo de suas crostas, na região onde a matéria convencional faz a transição para um material nuclear bizarro e mal compreendido. E eles também sabiam que as emissões de neutrinos ajudam a resfriar estrelas de nêutrons. O novo estudo mostra como a massa ajuda a liberar neutrinos.
O autor principal do estudo, Zidu Lin, pesquisador de pós-doutorado da Universidade do Arizona, projetou uma série de imensas simulações de computador que mostraram como os neutrinos podem emergir neste ambiente estranho, disse Horowitz.
A fórmula básica para produzir um neutrino em uma estrela de nêutrons é direta: um nêutron decai, transformando-se em um próton ligeiramente mais leve e de baixa energia e em um neutrino ultraleve. É um processo simples que ocorre em outras partes do espaço, inclusive em nosso sol. (Exatamente neste segundo, um vasto fluxo de neutrinos solares está fluindo por seu corpo.)
Mas as condições devem ser adequadas para que essa receita funcione. E em uma estrela de nêutrons, as condições parecem erradas.
Estrelas de nêutrons, como o nome indica, têm muitos nêutrons, todos girando em altas energias com muito impulso. Mas a receita do neutrino requer a produção de um próton de baixa energia com quase nenhum momento. O momentum não pode simplesmente desaparecer. É sempre conservado. Essa é a Primeira Lei do Movimento de Isaac Newton. (É também por isso que, se seu carro parar de repente e você não estiver usando o cinto de segurança, você sai voando pela janela.)
Os neutrinos do peso da pena não podem assumir todo o ímpeto dos nêutrons em decomposição relativamente volumosos. Portanto, o único outro lugar para o ímpeto ir é para o ambiente circundante.
A matéria nuclear densa e rígida é um lugar terrível para descarregar o ímpeto. É como dirigir um carro esporte em alta velocidade contra uma placa grossa de granito; a rocha dificilmente se moverá e o carro entrará em colapso, pois esse impulso não tem para onde ir. Modelos simples de emissões de estrelas de nêutrons lutam para explicar como a matéria nuclear poderia absorver momento suficiente para que os neutrinos escapassem.
O modelo de Lin mostrou que a massa nuclear resolve grande parte desse problema. Essas formas em camadas enroladas têm regiões de baixa densidade. E a massa pode comprimir, absorvendo o impulso em um movimento ondulante. É como se aquela parede de granito fosse montada em uma mola que se comprimiu com o impacto do carro.
Os pesquisadores mostraram que as emissões de neutrinos da massa nuclear são provavelmente muito mais eficientes do que as emissões de neutrinos no núcleo de uma estrela de nêutrons. Isso significa que a massa provavelmente é responsável por grande parte do resfriamento.
Esta pesquisa, disse Horowitz, sugere que as estrelas de nêutrons esfriam mais lentamente do que o esperado. Isso significa que eles vivem mais. As histórias do espaço-tempo terão que ser ajustadas, disse ele, para dar conta de sua persistência sobrenatural em calor extremo por eras.
Publicado em 21/10/2020 10h21
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