Nos últimos meses, Universo Hoje explorou uma infinidade de disciplinas científicas, incluindo crateras de impacto, superfícies planetárias, exoplanetas, astrobiologia, física solar, cometas, atmosferas planetárias, geofísica planetária, cosmoquímica, meteoritos, radioastronomia, extremófilos, química orgânica, buracos negros, criovulcanismo, proteção planetária, matéria escura e supernovas, e como cada uma dessas disciplinas únicas continua a ensinar sobre o cosmos e o nosso lugar em toda a sua vastidão.
Aqui, Universo hoje discute o campo das estrelas de nêutrons com Dr. Stuart Shapiro, que é Professor de Física e Astronomia e Cientista Pesquisador Sênior da NCSA na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, sobre a importância de estudar estrelas de nêutrons, os benefícios e desafios, o aspecto mais intrigante sobre estrelas de nêutrons que ele estudou ao longo de sua carreira, e qualquer conselho que ele possa oferecer aos futuros alunos que desejam continuar estudando estrelas de nêutrons. Portanto, qual a importância de estudar estrelas de nêutrons?
“As estrelas de nêutrons são constituintes fundamentais do universo”, diz o Dr. Shapiro Universo Hoje. “Eles são detectados em toda a nossa Galáxia como pulsares de rádio isolados e como fontes de raios X que acumulam gás de estrelas normais que servem como suas companheiras binárias. Estrelas de nêutrons também são observadas em galáxias distantes como ondas gravitacionais e emissores de raios gama durante a fusão de duas estrelas de nêutrons em um sistema binário. O interior das estrelas de nêutrons tem a densidade de um núcleo atômico, cerca de 14 ordens de grandeza maior do que os materiais típicos da Terra. Densidades nucleares tão elevadas não podem ser alcançadas num laboratório na Terra, as estrelas de neutrões proporcionam um laboratório eficaz para estudar a matéria e as leis da física em densidades extremas.”
A existência potencial de estrelas de nêutrons foi primeiro proposto por Fritz Zwicky e Walter Baade em 1933 — que também foi menos de dois anos após o nêutron ter sido oficialmente descoberto — em uma reunião da American Physical Society. O objetivo dessas discussões era verificar como as supernovas eram criadas, mas eles deduziram que as estrelas de nêutrons resultaram de supernovas, com a estrela original se tornando ultradensa com nêutrons após a explosão.
No entanto, o interesse de pesquisa em estrelas de nêutrons não ocorreu até várias décadas depois, em 1967, devido aos cientistas deduzirem que elas eram pequenas demais para serem observadas com a tecnologia disponível, e somente depois que se descobriu que as estrelas de nêutrons exibiam grandes campos magnéticos devido à sua rápida taxas de rotação. Desde então, a pesquisa sobre estrelas de nêutrons expandiu-se gradualmente, incluindo o uso de estrelas de nêutrons para fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais em 2017. Portanto, dadas as suas características únicas, quais são alguns dos benefícios e desafios do estudo de estrelas de nêutrons?
O Dr. Shapiro conta Universo Hoje, “Não podemos colidir estrelas de nêutrons em um acelerador, como fazemos, digamos, com prótons e elétrons de alta energia, para estudar partículas elementares. Mas a Natureza nos fornece colisões de estrelas de nêutrons quando estrelas binárias de nêutrons colidem. Já detectámos alguns eventos de colisão quando o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) observou as ondas gravitacionais irradiadas, e mais detecções são esperadas num futuro próximo.”
Dada a sua densidade extrema, isto significa que o tamanho das estrelas de neutrões é incrivelmente pequeno, com uma média de apenas 20 quilómetros (12 milhas) de diâmetro, ou o tamanho de uma pequena cidade, com uma massa de 1,4 vezes a do Sol, o que significa uma colher de chá de um neutrão. estrela pesa aproximadamente um bilhão de toneladas na Terra. Doravante, o Dr. Shapiro observa que esses resultados são extremamente difíceis de replicar em laboratório. Além disso, descobriu-se que suas taxas de rotação são tão altas quanto 716 rotações por segundoou aproximadamente 0,24 da velocidade da luz se um observador estivesse em sua superfície, com uma descoberta não confirmada indicando uma estrela de nêutrons exibindo 1.122 rotações por segundo. Existem também diferentes tipos de estrelas de nêutrons, incluindo pulsares mencionados pelo Dr. Shapiro, e magnetares que são estrelas de nêutrons altamente magnetizadas.
Embora as estrelas de nêutrons não recebam tanta publicidade quanto outras estrelas, atualmente existe a hipótese de que existam aproximadamente um bilhão de estrelas de nêutrons na Via Láctea. Isto pode parecer um grande número, exceto que se estima que existam aproximadamente 100 mil milhões de estrelas na Galáxia Láctea, o que significa que as estrelas de neutrões poderiam potencialmente compreender apenas um por cento da população estelar da nossa galáxia. Portanto, quais são alguns dos aspectos mais intrigantes sobre estrelas de nêutrons que o Dr. Shapiro estudou ao longo de sua carreira?
Dr. Shapiro conta Universo Hoje, “Uma das propriedades que meus colaboradores e eu descobrimos foi a capacidade de rotação para suportar estrelas de nêutrons de massa maior do que estrelas esféricas não rotativas. É bem sabido que as estrelas de nêutrons não rotativas têm uma massa máxima de algumas vezes a massa do Sol, cujo valor preciso depende da equação de estado, ou seja, da natureza precisa da lei de pressão para a matéria nuclear que sustenta a estrela contra a gravidade. colapso.”
Dr. Shapiro continua, “No entanto, descobrimos que se a estrela estiver girando, então ela pode suportar uma massa maior. A massa máxima aumenta em cerca de 20 por cento se ela girar como um corpo rígido (ou seja, rotação uniforme), mas pode aumentar muito mais se ela girar diferencialmente, com sua taxa de rotação muito alta no centro e diminuindo em direção à superfície. Estrelas girando uniformemente acima do limite de massa não rotativa nós chamamos de ‘supramassivas’, enquanto estrelas girando diferencialmente acima do limite de massa supramassiva nós chamamos de ‘hipermassivas’. Estrelas supramassivas e hipermassivas são provavelmente formadas quando estrelas de nêutrons binárias se fundem, pelo menos até que elas percam seu momento angular (ou seja, Spin) por meio de radiação gravitacional e campos magnéticos.”
Como buracos negros ou outros objetos celestes que raramente observamos diretamente, o estudo de estrelas de nêutrons envolve muita pesquisa teórica, onde pesquisadores usam modelos de computador para simular suas hipóteses e usam instrumentos poderosos como o LIGO para confirmar essas hipóteses no futuro. Portanto, o estudo de estrelas de nêutrons envolve vários antecedentes científicos, incluindo astrofísica teórica, teoria da relatividade geral, astrofísica computacional, ciência da computação, entre outros. Além disso, um aspecto emocionante da ciência é cunhar novos termos, já que os termos supramassivo e hipermassivo foram cunhados pelo Dr. Shapiro e seus colegas. Portanto, que conselho o Dr. Shapiro pode oferecer aos futuros alunos que desejam prosseguir com o estudo de estrelas de nêutrons?
O Dr. Shapiro conta Universo hoje, “As estrelas de nêutrons têm propriedades que lidam com todas as quatro forças fundamentais da natureza: gravitação, eletromagnetismo, interações de partículas fortes e fracas. Para estudar melhor as estrelas de nêutrons, deve-se adquirir uma sólida e ampla formação em física. Como as equações que descrevem estrelas de nêutrons em vários estados são frequentemente muito complicadas, elas devem ser resolvidas numericamente em supercomputadores. Portanto, os aspirantes a estudantes também devem adquirir uma boa formação em física computacional se quiserem trabalhar na vanguarda.”
Como as estrelas de nêutrons nos ensinarão sobre o nosso lugar no universo nos próximos anos e décadas? Só o tempo dirá, e é por isso que fazemos ciência!
Como sempre, continue fazendo ciência e olhando para cima!
