As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos do Universo, perdendo apenas para os buracos negros. Tal como os buracos negros, as estrelas de neutrões são o que resta depois de uma estrela atingir o fim do seu ciclo de vida e sofrer um colapso gravitacional. Isto produz uma explosão massiva (uma supernova), na qual uma estrela liberta as suas camadas exteriores e deixa para trás um remanescente estelar supercomprimido. Na verdade, os cientistas especulam que a matéria no centro da estrela é comprimida a tal ponto que até os átomos entram em colapso e os eletrões se fundem com os protões para criar neutrões.
Tradicionalmente, os cientistas baseiam-se na “Equação de Estado” – um modelo teórico que descreve o estado da matéria sob um determinado conjunto de condições físicas – para compreender quais os processos físicos que podem ocorrer dentro de uma estrela de neutrões. Mas quando uma equipa liderada por cientistas do Conselho Nacional de Investigação espanhol (CSIC) examinou três estrelas de neutrões excecionalmente jovens, notou que eram 10 a 100 vezes mais frias do que outras estrelas de neutrões da mesma idade. Para isso, os pesquisadores concluíram que essas três estrelas são inconsistentes com a maioria das equações de estado propostas.
A equipe era formada por astrofísicos do Instituto de Ciências Espaciais (ICE-CSIS) em Barcelona, do Instituto d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) e do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Alacant. Alessio Marino, um bolsista de pós-doutorado em astrofísica no ICE e no IEEC, foi o autor principal do artigo da equipe (“Restrições na equação de estado da matéria densa de estrelas de nêutrons jovens e frias isoladas“), que apareceu recentemente em Astronomia da Natureza.
Embora os astrônomos ainda não tenham certeza de quais modelos de equação de estado são corretos para estrelas de nêutrons, as leis da física determinam que todas as estrelas de nêutrons devem obedecer à mesma. Além disso, a natureza fria das estrelas de nêutrons é um método confiável para determinar sua idade – quanto mais velhas, mais frias ficam. Embora sejam difíceis de estudar com luz invisível, sua natureza rotativa e campos magnéticos (que canalizam energia em direção aos polos magnéticos) produzem pulsos de raios X que podem ser observados.
Após consultar dados da ESA XMM-Newton e da NASA Chandra missões, a equipe encontrou evidências de três estrelas de nêutrons. A extrema sensibilidade desses telescópios não só permitiu que a equipe detectasse essas estrelas de nêutrons, mas também coletasse luz suficiente para determinar suas temperaturas e outras propriedades. De acordo com a astrofísica Nanda Rea, cujo grupo de pesquisa no ICE-CSIC e no IEEC liderou a investigação, os resultados foram muito surpreendentes:
“A idade jovem e a temperatura fria da superfície dessas três estrelas de nêutrons só podem ser explicadas invocando um mecanismo de resfriamento rápido. Como o resfriamento aprimorado pode ser ativado apenas por certas equações de estado, isso nos permite excluir uma porção significativa dos modelos possíveis,”
“A pesquisa sobre estrelas de nêutrons atravessa muitas disciplinas científicas, abrangendo desde a física de partículas até as ondas gravitacionais. O sucesso deste trabalho demonstra o quão fundamental é o trabalho em equipe para avançar nossa compreensão do Universo.”
Para esse fim, Rea e seus colegas – Alessio Marino, Clara Dehman e Konstantinos Kovlakas – se beneficiaram de sua expertise combinada e complementar. Marino, um bolsista de pós-doutorado do ICE-CSIS e do IEEC, liderou os esforços da equipe para deduzir outras propriedades físicas das estrelas de nêutrons. Além de determinar sua temperatura a partir dos raios X emitidos, os tamanhos e velocidades dos remanescentes de supernovas ao redor deram uma indicação precisa de suas idades.
Isto foi seguido por Clara, uma pesquisadora de pós-doutorado na Universidade de Alacant, que calculou as “curvas de resfriamento” das estrelas de nêutrons com base em uma variedade de massas e intensidades de campo magnético. Isso consistiu em traçar o que cada modelo de “equação de estado” prevê sobre como a temperatura de uma estrela de nêutrons (conforme indicado por seu brilho) muda ao longo do tempo. Por último, Kovlakas, pós-doutorado no ICE-CSIC e IEEC, liderou uma análise estatística que usou aprendizado de máquina para combinar as curvas de resfriamento simuladas com as propriedades das três estrelas de nêutrons.
Estas simulações revelaram que sem um mecanismo de resfriamento rápido, nenhuma das equações de estado correspondia aos dados. Além disso, a equipa concluiu que as propriedades destas estrelas são inconsistentes com cerca de 75% dos modelos conhecidos de estrelas de neutrões. Ao estreitar o leque de possibilidades, os astrônomos estão um passo mais perto de aprender qual equação de estado da estrela de nêutrons governa todas elas. Isto também poderia ter implicações importantes para a compreensão de como as leis fundamentais do Universo – Relatividade Geral e Mecânica Quântica – se encaixam.
Isto faz das estrelas de neutrões um laboratório perfeito para testar as leis da física, uma vez que têm densidades e forças gravitacionais muito superiores a qualquer coisa que possa ser recriada na Terra. Tal como os buracos negros, estes objetos são onde as leis da física começam a falhar, onde muitas vezes podem ser encontradas as descobertas mais profundas na nossa compreensão deles!
Leitura adicional: ESA, Astronomia da Natureza
