O que são estrelas de nêutrons?

O que são estrelas de nêutrons?

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 11 de Fevereiro de 2022 às 20h40
Raphael.concorde/ Daniel Molybdenum/NASA

Você sabe o que é estrela de nêutrons? Bem, as estrelas de nêutrons são uma espécie de "zumbi" cósmico, assim como todos os demais tipos de remanescente estelar. Mas, apesar de "mortas", elas são especiais para os astrônomos por serem incrivelmente densas e apresentarem uma física que não é encontrada em nenhum outro lugar do universo. Ainda não se sabe tudo a respeito delas, mas algumas descobertas recentes são incríveis.

O que são estrelas de nêutrons?

Ilustração que mostra as linhas do campo magnético que se projetam de uma estrela de nêutrons altamente magnética (Imagem: Reprodução/ESA)

No fim de suas vidas, as estrelas se “transformam” em outros tipos de objeto. Com o fim de seus combustíveis para realizar a fusão de núcleos atômicos em seu interior — processo do qual tiram suas energias para brilhar —, ocorre o colapso estelar.

O resultado do colapso, isto é, o objeto que sobra após a “morte” da estrela, depende da massa. Estrelas até cerca de 8 vezes a massa do Sol expelem suas camadas externas, deixando para trás seu núcleo superdenso, chamado anã branca. Estrelas muito massivas se transformam em estrelas de nêutrons ou em buracos negros.

Quando uma estrela massiva colapsa, explode como uma supernova. Então, seu núcleo acaba como um objeto minúsculo e superdenso, com cerca de 1,4 a 2 massas solares, porém com apenas 15 a 19 km de diâmetro. Imagine toda a matéria de dois sóis compactadas até ficar do tamanho de uma cidade pequena.

Isso ocorre porque essa matéria está incrivelmente “espremida”, mais ou menos semelhante a pegarmos um miolo de pão e apertarmos até se tornar uma pequena esfera. Só que no caso da estrela de nêutrons, essa massa é compactada em níveis muito mais extremos; em níveis sub-atômicos.

Tudo isso graças à gravidade, a responsável por empurrar os átomos em direção ao núcleo, sem a pressão de dentro para fora para fazer resistência. A pressão que havia com a fusão nuclear da estrela quando “viva” antes deixa de existir com o fim do combustível. Como a estrela tem várias vezes a massa do Sol, a gravidade exerce um poder enorme sobre o objeto.

Anatomia da estrela de nêutrons

Concepção artística de uma estrela de nêutrons (Imagem: Reprodução/SETI)

Os nêutrons são um dos componentes de um núcleo atômico, de carga elétrica neutra. A intensa pressão que a gravidade impõe no interior da estrela faz com que os outros componentes dos átomos — prótons, de carga positiva, e elétrons, de carga negativa — sejam também esmagados.

Assim, os elétrons, que orbitam o núcleo atômico, são empurrados até o núcleo e, ao se unirem aos prótons, formam ainda mais nêutrons. Se esse remanescente de supernova tiver uma massa maior do que 2,2 massas solares, a estrela de nêutrons continua a colapsar até formar um buraco negro.

Embora pareça complicado, a estrela de nêutrons tem uma estrutura semelhante ao nosso planeta, com atmosfera, crosta e núcleo — em condições bem mais extremas, claro. Sua gravidade, por exemplo, mantém uma atmosfera de apenas alguns milímetros de espessura, composta por hidrogênio, hélio e carbono, aquecida a cerca de 2 milhões de °C.

Por sua vez, a crosta externa é feita de uma mistura de elétrons livres e íons (átomos que tiveram alguns ou todos os seus elétrons removidos). Já a crosta interna sofre bastante influência do campo magnético da estrela de nêutrons.

Conceito do interior de uma estrela de nêutrons (Imagem: Reprodução/Paul Wootton/Sky At Night Magazine)

No núcleo externo, estão os prótons supercondutores, ou seja, sem resistência à corrente elétrica. Ali, a corrente pode fluir livremente sem perder energia. E, por fim, o núcleo interno — a parte menos compreendida de uma estrela de nêutrons — é supostamente feito de uma sopa de quarks.

Quarks são as partículas que formam prótons e nêutrons, e não costumam andar livremente pelo universo. Na verdade, após os primeiros instantes do Big Bang, os quarks foram confinados, ou seja, quarks nunca são diretamente observados ou encontrados de forma isolada.

Por isso, os quarks passaram a existir em duplas de três quarks, formando assim os bárions (categoria a que pertencem os prótons e os nêutrons). Mas a pressão intensa no núcleo de uma estrela de nêutrons poderia separar os nêutrons, formando uma "sopa" de quarks.

Entretanto, é preciso energia para quebrar os nêutrons, por isso a opinião dos astrônomos ainda está dividida sobre a natureza do núcleo de estrelas de nêutrons. A resposta, talvez, esteja no limite de massa desses corpos.

Qual o peso da estrela de nêutrons

Esses pequenos núcleos de estrelas explodidas são um dos objetos conhecidos mais “esquisitos” do universo, talvez perdendo apenas para os buracos negros. Uma colher de sopa de estrela de nêutrons pesaria mais de 900 bilhões de kg.

Para se ter uma noção, esse “peso” (no espaço falamos em massa e densidade, mas considere que a colherada de estrela de nêutrons esteja na superfície da Terra) é quase o equivalente a todos os humanos que já viveram.

No total, uma estrela de nêutrons é formada por 90% de nêutrons, por isso, de certo modo, podemos dizer que cada uma delas é um núcleo atômico do tamanho de uma cidade.

Colisão e fusão de estrelas de nêutrons

Ilustração de uma colisão entre duas estrelas de nêutrons (Imagem: Reprodução/NASA/Swift/Dana Berry)

Estrelas costumam nascer “aos punhados” no universo, ou seja, em grandes formações de poeira e gás capazes de gerar aglomerados estelares. Os aglomerados podem ter estrelas massivas o suficiente para se tornarem estrelas de nêutrons.

Quando duas estrelas de nêutrons estão próximas o suficiente para atraírem uma à outra em uma órbita espiral, a colisão é iminente. O resultado é um dos impactos mais poderosos do universo, que geram verdadeiras ondulações na estrutura espaço-tempo.

Alguns instrumentos científicos como o LIGO, Virgo e KAGURA podem detectar essas ondas — mais conhecidas como ondas gravitacionais —, mas uma colisão entre estrelas de nêutrons só foi detectada em 2017, em um evento de apenas 100 segundos de duração.

Apesar de breve, a colisão criou algo conhecido como kilonova. O evento foi designado GW170817 e trouxe não apenas mais uma confirmação das teorias de Albert Einstein (as ondas gravitacionais) como também as previsões teóricas sobre o papel das estrelas de nêutrons no universo: formar alguns dos elementos mais pesados da tabela periódica.

Para entender como isso é possível, lembre-se que as estrelas de nêutrons são feitas de… nêutrons, um dos dois componentes dos núcleos atômicos. Quando essas partículas voam e se recombinam com a energia das kilonovas, novos elementos pesados são criados, incluindo ouro, prata e xenônio.

A kilonova detectada em 2017 produziu mais de 100 “Terras” em metais preciosos sólidos e puros. O material espalhado pelas kilonovas se espalham pelo cosmos até encontrar alguma nuvem densa de gás e poeira que, por sua vez colapsam para formar uma protoestrela. Foi assim que elementos como ouro e prata estiveram presentes no disco protoplanetário ao redor do jovem Sol, onde a Terra nasceu.

Tipos de estrelas de nêutrons

Concepção artística de um pulsar, um tipo de estrela de nêutrons que orientado de uma maneira particular em relação à Terra (Imagem: Reprodução/NRAO)

Assim como buracos negros, algumas estrelas de nêutrons têm jatos de materiais ejetados rumo ao espaço interestelar quase à velocidade da luz. À medida que esses feixes passam pela Terra, eles piscam como a lâmpada de um farol, só que isso ocorre em um ritmo alucinante.

Essas estrelas “pisca-pisca” são chamadas de pulsares. Os pulsares normais giram entre 0,1 e 60 vezes por segundo, enquanto os pulsares de milissegundos podem rodopiar até 700 vezes por segundo!

A cintilação dos pulsares é tão previsível e regular que os pesquisadores a usam como “contador” de tempo para medir as distâncias entre os objetos cósmicos. São como os relógios atômicos usados em um sistema de navegação GPS, por exemplo.

Existe outro tipo ainda mais extremo de estrela de nêutrons: os magnetares. Eles possuem campos magnéticos mil vezes mais fortes que as estrelas de nêutrons comuns, e isso traz uma série de implicações.

Para se ter uma ideia, o campo magnético da Terra é medido em cerca de 1 gauss, enquanto o do Sol é de cerca de algumas centenas de gauss. Uma estrela de nêutrons média tem um campo magnético de trilhões de gauss, mas magnetares são muito mais poderosos.

Uma das consequências disso é que o arrasto faz com que a estrela demore mais para girar. Esses campos também causam estragos ao redor, como átomos se estendendo em hastes finas como lápis quando chegam perto. As estrelas densas também podem gerar rajadas de radiação de alta intensidade.

Qual é a maior estrela de nêutrons?

A luz atrás de uma estrela de nêutrons é distorcida devido à sua gravidade, e redirecionada do lado mais distante da estrela para nós (Imagem: Reprodução/USRA/GESTAR)

Os estudos sobre massas e diâmetros das estrelas de nêutrons ainda estão em andamento, e é possível que as medições se tornem mais precisas à medida que instrumentos mais sensíveis são construídos.

Em 2021, uma das estrelas de nêutrons mais massivas, chamada PSR J0740+6620, foi estimada com algo entre 2,01 e 2,15 massas solares, estabelecendo-se como candidata favorita para o "prêmio de mais massiva já encontrada". Além disso, o objeto também teve seu diâmetro provável calculado por diferentes equipes, chegando a resultados como 25 e 27 km. Essa estrela de nêutrons é um pulsar localizado a 4.600 anos-luz da Terra.

Se esses cálculos estiverem corretos, a ideia do núcleo formado por uma “sopa” de quarks perde forças. É que nessa hipótese, os quarks livres resultariam em um núcleo mole e ainda mais comprimível. Isso significa que as estrelas de nêutrons mais massivas diminuiriam ainda mais de tamanho.

Considerando que a J0740 é mais massiva que o esperado, outros modelos são favorecidos. Em alguns deles, os quarks interagem fortemente, resultando em uma matéria mais difícil de comprimir e, portanto, as estrelas de nêutrons são incapazes de terem diâmetro menor quando possuem mais massa.

Qual a estrela de nêutrons mais próxima da Terra?

A estrela de nêutrons RX J185635-3754, a mais próxima da Terra (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)

A RX J185635-3754, uma estrela de nêutrons forjada em uma explosão estelar visível para nossos ancestrais há 1 milhão de anos, está localizada a apenas 200 anos-luz de distância da Terra.

Naquela época, 1 milhão de anos atrás, uma estrela massiva em um sistema estelar binário explodiu como supernova, e tudo o que sobrou para contar história é uma estrela de nêutrons que se aproxima de nós.

Em algum momento, o objeto ultradenso passará pela Terra a uma distância segura de 170 anos-luz, mas isso só ocorrerá em cerca de 300.000 anos.

Fonte: EarthSkySky at Night MagazineSpace.comLive Science,NASA/HubbleAAS NovaPhysics

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