Arte conceitual de estrelas de nêutrons em colisão
Publicidade

Durante a colisão de estrelas de nêutrons binárias, os neutrinos quentes podem ficar brevemente presos na interface, ficando fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão por 2 a 3 milissegundos. Esta interação ajuda a conduzir as partículas ao equilíbrio e oferece novos insights sobre a física de tais fusões. Crédito: SciTechDaily.com

Novas simulações mostram que os neutrinos criados durante estes cataclísmicos Estrêla de Neutróns as colisões ficam brevemente fora do equilíbrio termodinâmico com os núcleos frios das estrelas em fusão.

Simulações recentes feitas por físicos da Penn State mostraram que em fusões binárias de estrelas de nêutrons, os neutrinos quentes podem ficar brevemente presos e permanecer fora de equilíbrio, proporcionando uma nova compreensão desses eventos cósmicos. Esta pesquisa enfatiza o papel das simulações no estudo de fenômenos que não podem ser replicados experimentalmente.

O que acontece quando estrelas de nêutrons colidem?

Quando as estrelas entram em colapso, muitas vezes deixam para trás restos incrivelmente densos, mas relativamente pequenos e frios, chamados estrelas de nêutrons. Se duas estrelas entrarem em colapso nas proximidades, as estrelas de nêutrons binárias restantes espiralarão e eventualmente colidirão, aquecendo o ponto de colisão a temperaturas extremas.

Novas simulações desses eventos mostram que neutrinos quentes — partículas minúsculas, essencialmente sem massa, que raramente interagem com outra matéria — que são criados durante a colisão podem ficar brevemente presos nessas interfaces e permanecer fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão por 2 a 3 milissegundos. Durante esse tempo, as simulações mostram que os neutrinos podem interagir fracamente com a matéria das estrelas, ajudando a levar as partículas de volta ao equilíbrio — e emprestando novos insights sobre a física desses eventos poderosos.

Simulações inovadoras de fusões de estrelas de nêutrons

Um artigo descrevendo as simulações, por uma equipe de pesquisa liderada por físicos da Penn State, foi publicado recentemente no periódico Cartas de avaliações físicas.

Publicidade

“Pela primeira vez em 2017, observamos aqui na Terra sinais de vários tipos, incluindo ondas gravitacionaisde uma fusão binária de estrelas de nêutrons”, disse Pedro Luis Espino, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e no Universidade da California, Berkeley, que liderou a pesquisa. “Isso levou a um grande aumento de interesse na astrofísica de estrelas de nêutrons binárias. Não há forma de reproduzir estes eventos num laboratório para os estudar experimentalmente, por isso a melhor janela que temos para compreender o que acontece durante uma fusão binária de estrelas de neutrões é através de simulações baseadas na matemática que surge da teoria da relatividade geral de Einstein.”

Simulação de fusão de estrelas de nêutrons binárias
Publicidade

Renderização de volume de densidade em uma simulação de fusão de estrelas de nêutrons binárias. Novas pesquisas mostram que os neutrinos criados na interface quente entre as estrelas em fusão podem ser brevemente capturados e permanecer fora de equilíbrio com os núcleos frios das estrelas em fusão por 2 a 3 milissegundos. Crédito: David Radice, Penn State

Composição de estrelas de nêutrons e dinâmica de colisão

As estrelas de nêutrons recebem esse nome porque se acredita que sejam compostas quase inteiramente de nêutrons, as partículas sem carga que, junto com prótons com carga positiva e elétrons com carga negativa, constituem os átomos. Acredita-se que sua incrível densidade – apenas os buracos negros são menores e mais densos – comprime prótons e elétrons, fundindo-os em nêutrons. Uma estrela de nêutrons típica tem apenas dezenas de quilômetros de diâmetro, mas cerca de uma vez e meia a massa do nosso Sol, que tem cerca de 1,4 milhão de quilômetros de diâmetro. Uma colher de chá de material de estrela de nêutrons pode pesar tanto quanto uma montanha, dezenas ou centenas de milhões de toneladas.

“As estrelas de nêutrons antes da fusão são efetivamente frias, embora possam ter bilhões de graus Kelvin, sua incrível densidade significa que esse calor contribui muito pouco para a energia do sistema”, disse David Radice, professor assistente de física e de astronomia e astrofísica. no Eberly College of Science da Penn State e líder da equipe de pesquisa. “À medida que colidem, podem ficar muito quentes, a interface das estrelas em colisão pode ser aquecida a temperaturas na casa dos triliões de graus Kelvin. No entanto, são tão densos que os fótons não conseguem escapar para dissipar o calor; em vez disso, pensamos que eles esfriam emitindo neutrinos.”

Insights do comportamento dos neutrinos em fusões estelares

De acordo com os pesquisadores, os neutrinos são criados durante a colisão, quando os nêutrons nas estrelas se chocam uns com os outros e são explodidos em prótons, elétrons e neutrinos. O que acontece então naqueles primeiros momentos após uma colisão tem sido uma questão em aberto na astrofísica.

Para tentar responder a essa pergunta, a equipe de pesquisa criou simulações que exigem quantidades massivas de poder computacional que modelam a fusão de estrelas de nêutrons binárias e toda a física associada. As simulações mostraram pela primeira vez que, ainda que brevemente, até mesmo neutrinos podem ser capturados pelo calor e densidade da fusão. Os neutrinos quentes estão fora de equilíbrio com os núcleos ainda frios das estrelas e podem interagir com a matéria das estrelas.

“Esses eventos extremos ampliam os limites da nossa compreensão da física e estudá-los nos permite aprender coisas novas”, disse Radice. “O período em que as estrelas em fusão estão fora de equilíbrio é de apenas 2 a 3 milissegundos, mas tal como a temperatura, o tempo é relativo aqui, o período orbital das duas estrelas antes da fusão pode ser de apenas 1 milissegundo. Esta breve fase de desequilíbrio é quando ocorre a física mais interessante, uma vez que o sistema retorna ao equilíbrio, a física é melhor compreendida.”

Publicidade

Os pesquisadores explicaram que as interações físicas precisas que ocorrem durante a fusão podem impactar os tipos de sinais que podem ser observados na Terra a partir de fusões de estrelas binárias.

“Como os neutrinos interagem com a matéria das estrelas e eventualmente são emitidos pode impactar as oscilações dos remanescentes fundidos das duas estrelas, o que por sua vez pode impactar a aparência dos sinais de ondas eletromagnéticas e gravitacionais da fusão quando nos alcançam aqui na Terra”, disse Espino. “Detetores de ondas gravitacionais de próxima geração podem ser projetados para procurar por esses tipos de diferenças de sinal. Dessa forma, essas simulações desempenham um papel crucial, permitindo-nos obter insights sobre esses eventos extremos, ao mesmo tempo em que informam experimentos e observações futuras em uma espécie de loop de feedback.”

Referência: “Neutrino Trapping and Out-of-Equilibrium Effects in Binary Neutron-Star Merger Remnants” por Pedro Luis Espino, Peter Hammond, David Radice, Sebastiano Bernuzzi, Rossella Gamba, Francesco Zappa, Luís Felipe Longo Micchi e Albino Perego, 20 de maio 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211001

Além de Espino e Radice, a equipe de pesquisa inclui os pós-doutorados Peter Hammond e Rossella Gamba na Penn State; Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa e Luís Felipe Longo Micchi na Friedrich-Schiller-Universität Jena na Alemanha; e Albino Perego na Universidade de Trento, na Itália.

Financiamento da Fundação Nacional de Ciência dos EUA; o Departamento de Energia dos EUA (DOE), Escritório de Ciência, Divisão de Física Nuclear; a Deutsche Forschungsgemeinschaft; e as iniciativas Horizonte 2020 da União Europeia e Horizonte Europa apoiaram esta investigação. As simulações foram realizadas nos supercomputadores Bridges2, Expanse, Frontera e Perlmutter. A pesquisa utilizou recursos do National Energy Research Scientific Computing Center, um mecanismo de usuário do DOE Office of Science apoiado pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA. Os autores reconheceram o Gauss Center for Supercomputing eV

por financiar este projeto fornecendo tempo de computação no Supercomputador GCS SuperMUC-NG no Centro de Supercomputação Leibniz.



Share. Facebook Twitter Pinterest LinkedIn Tumblr Email

Formado em Educação Física, apaixonado por tecnologia, decidi criar o site news space em 2022 para divulgar meu trabalho, tenho como objetivo fornecer informações relevantes e descomplicadas sobre diversos assuntos, incluindo jogos, tecnologia, esportes, educação e muito mais.