Estrelas de nêutrons

A estrela de nêutrons é o núcleo colapsado deixado para trás quando uma estrela massiva morre em uma supernova. Ele contém cerca de uma vez e meia a massa do Sol em uma esfera com apenas cerca de 20 quilômetros de diâmetro – tão densa que um pedaço do tamanho de um cubo de açúcar pesaria tanto quanto uma montanha. As estrelas de nêutrons ficam na fronteira entre a física estelar comum e o regime extremo onde a gravidade, as forças nucleares e a mecânica quântica são importantes ao mesmo tempo.

Como uma estrela de nêutrons se forma

Quando uma estrela muito mais pesada que o Sol esgota o seu combustível nuclear, o seu núcleo já não consegue sustentar-se e entra em colapso numa fracção de segundo. A matéria em queda esmaga prótons e elétrons em nêutrons, e o colapso só cessa quando os próprios nêutrons resistem a serem ainda mais comprimidos. As camadas externas ricocheteiam em uma explosão de supernova, deixando para trás o núcleo compacto de nêutrons. Se a estrela original for pesada o suficiente, até mesmo a pressão dos nêutrons falha e o núcleo colapsa ainda mais em um buraco negro em vez de.

O que sustenta: pressão de degeneração

Uma estrela de nêutrons não queima combustível, então o que a impede de entrar em colapso? A resposta é um efeito puramente quântico. O Princípio de exclusão de Pauli proíbe dois nêutrons de ocupar o mesmo estado quântico, o que os força a se moverem mesmo nas energias mais baixas. Isso cria uma aparência poderosa pressão de degeneração de nêutrons que sustenta a estrela contra a sua imensa gravidade - o mesmo princípio que sustenta uma anã branca, mas empurrado para uma densidade muito mais extrema.

Laboratórios cósmicos

Exatamente como a matéria se comporta nas densidades dentro de uma estrela de nêutrons — descrita por seu equação de estado — ainda não é totalmente conhecido, porque nenhum laboratório na Terra consegue atingir tais condições. O núcleo pode conter estados exóticos da matéria, como quarks livres ou hiperons. Os astrônomos investigam isso medindo massas e raios de estrelas de nêutrons e observando sua fusão: a detecção de 2017 de ondas gravitacionais de uma colisão de estrela de nêutrons, vista ao lado da luz, abriu uma nova maneira poderosa de estudar a matéria densa e até mesmo a origem de elementos pesados ​​como o ouro.

Pulsares e magnetares

Muitas estrelas de nêutrons giram rapidamente e emitem radiação de seus pólos magnéticos; conforme o feixe passa pela Terra, vemos pulsos regulares, e o objeto é chamado de pulsar. Os mais extremos, com os campos magnéticos mais fortes, são magnetares. Esses restos giratórios e magnetizados estão entre os relógios naturais mais precisos do universo.

Um equívoco comum

Uma estrela de nêutrons não é feita de “neutrônio” compactado como matéria comum; é um objeto único, ligado gravitacionalmente, mais parecido com um núcleo atômico colossal do que com uma estrela normal, com uma crosta sólida sobre um interior fluido. E embora muitas vezes chamadas de estrelas “mortas”, as estrelas de nêutrons permanecem fisicamente ativas por bilhões de anos, esfriando, girando e ocasionalmente queimando.

Números-chave: à beira do colapso

Uma estrela de nêutrons é um estudo de extremos. Um típico acumula cerca de 1,4 vezes a massa do Sol num raio de aproximadamente 11-13 km, dando uma densidade comparável a um núcleo atômico – centenas de trilhões de vezes mais denso que a água. Há também um máximo: acima do Limite Tolman–Oppenheimer–Volkoff, a pressão de degeneração de nêutrons não consegue mais resistir à gravidade e a estrela entra em colapso em um buraco negro. As observações dos pulsares mais pesados ​​conhecidos colocam esse limite em

M_máximo ≈ 2,2–2,3 massas solares

Fixar esse teto é um objetivo importante, porque depende diretamente da equação de estado desconhecida da matéria ultradensa. A fusão de estrelas de nêutrons em 2017, detectada tanto nas ondas gravitacionais quanto na luz, aguçou esses limites e confirmou que tais fusões forjam elementos pesados ​​como ouro e platina.