Estrelas de nêutrons são alguns dos objetos mais densos do Universo. O material dentro delas é comprimido com tanta força que os cientistas ainda não sabem que forma ele assume. O núcleo de uma estrela de nêutrons pode ser feito de uma sopa espessa de quarks, ou conter partículas exóticas que não sobreviveriam em nenhum outro lugar do Universo. Crédito: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., editado
Observações recentes do XMM-Newton da ESA e NASAO telescópio Chandra revelou três estrelas de nêutrons jovens e anormalmente frias, desafiando os modelos atuais ao mostrar que elas esfriam muito mais rápido do que o esperado.
Esta descoberta tem implicações significativas, sugerindo que apenas algumas das muitas propostas Estrêla de Neutróns modelos são viáveis e apontam para um potencial avanço na ligação das teorias da relatividade geral e da mecânica quântica por meio de observações astrofísicas.
Descoberta de estrelas de nêutrons excepcionalmente frias
A XMM-Newton da ESA e a nave espacial Chandra da NASA detectaram três estrelas de nêutrons jovens que são anormalmente frias para sua idade. Ao comparar suas propriedades com diferentes modelos de estrelas de nêutrons, os cientistas concluem que as baixas temperaturas das excêntricas desqualificam cerca de 75% dos modelos conhecidos. Este é um grande passo para descobrir a única ‘equação de estado’ da estrela de nêutrons que as rege a todas, com implicações importantes para as leis fundamentais do Universo.
Além dos buracos negros, as estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais desconcertantes do Universo. Uma estrela de nêutrons é formada nos últimos momentos da vida de uma estrela muito grande (com mais de oito vezes a massa do nosso Sol), quando o combustível nuclear em seu núcleo eventualmente acaba. Em um fim repentino e violento, as camadas externas da estrela são ejetadas com energia monstruosa em uma explosão de supernova, deixando para trás nuvens espetaculares de material interestelar rico em poeira e metais pesados. No centro da nuvem (nebulosa), o núcleo estelar denso se contrai ainda mais para formar uma estrela de nêutrons. Um buraco negro também pode se formar quando a massa do núcleo restante é maior do que cerca de três massas solares. Crédito: ESA
Densidade Extrema e Estados Desconhecidos da Matéria
Depois dos buracos negros de massa estelar, as estrelas de nêutrons são os objetos mais densos do Universo. Cada estrela de nêutrons é o núcleo comprimido de uma estrela gigante, deixado para trás depois que a estrela explodiu em uma supernova. Depois de ficar sem combustível, o núcleo da estrela implode sob a força da gravidade enquanto suas camadas externas são lançadas para o espaço.
A matéria no centro de uma estrela de nêutrons é comprimida com tanta força que os cientistas ainda não sabem que forma ela assume. As estrelas de nêutrons recebem esse nome pelo fato de que, sob essa imensa pressão, até mesmo os átomos entram em colapso: elétrons se fundem com núcleos atômicos, transformando prótons em nêutrons. Mas pode ficar ainda mais estranho, pois o calor e a pressão extremos podem estabilizar partículas mais exóticas que não sobrevivem em nenhum outro lugar, ou possivelmente derreter partículas juntas em uma sopa rodopiante de seus quarks constituintes.
Em uma estrela de nêutrons (esquerda), os quarks que compõem os nêutrons estão confinados dentro dos nêutrons. Em uma estrela de quarks (direita), os quarks são livres, então eles ocupam menos espaço e o diâmetro da estrela é menor. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss
O que acontece dentro de uma estrela de nêutrons é descrito pela chamada “equação de estado”, um modelo teórico que descreve quais processos físicos podem ocorrer dentro de uma estrela de nêutrons. O problema é que os cientistas ainda não sabem qual das centenas de possíveis modelos de equação de estado está correto. Enquanto o comportamento de estrelas de nêutrons individuais pode depender de propriedades como sua massa ou quão rápido elas giram, todas as estrelas de nêutrons devem obedecer à mesma equação de estado.
Implicações das observações do resfriamento de estrelas de nêutrons
Analisando dados das missões XMM-Newton da ESA e Chandra da NASA, cientistas descobriram três estrelas de nêutrons excepcionalmente jovens e frias que são de 10 a 100 vezes mais frias do que suas similares da mesma idade. Ao comparar suas propriedades com as taxas de resfriamento previstas por diferentes modelos, os pesquisadores concluem que a existência dessas três excêntricas descarta a maioria das equações de estado propostas.
“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”, explica a astrofísica Nanda Rea, cujo grupo de pesquisa no Instituto de Ciências Espaciais (ICE-CSIC) e Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha (CEI) liderou a investigação.
Unindo teorias através do estudo da estrela de nêutrons
Descobrir a verdadeira equação de estado da estrela de nêutrons também tem implicações importantes para as leis fundamentais do Universo. Os físicos notoriamente ainda não sabem como costurar a teoria da relatividade geral (que descreve os efeitos da gravidade em grandes escalas) com a mecânica quântica (que descreve o que acontece no nível das partículas). As estrelas de nêutrons são o melhor campo de testes para isso, pois têm densidades e gravitação muito além de qualquer coisa que possamos criar na Terra.
Estrelas de nêutrons são os núcleos comprimidos de estrelas gigantes, deixados para trás depois que a estrela explodiu em uma supernova. Elas são tão densas que a quantidade de material de estrela de nêutrons de um cubo de açúcar pesaria tanto quanto todas as pessoas na Terra! Crédito: ESA
Unindo Forças: Quatro Passos para a Descoberta
As três estrelas de nêutrons excêntricas sendo tão frias as tornam muito fracas para a maioria dos observatórios de raios X verem. “A sensibilidade soberba do XMM-Newton e do Chandra tornou possível não apenas detectar essas estrelas de nêutrons, mas coletar luz suficiente para determinar suas temperaturas e outras propriedades”, diz Camille Diez, pesquisadora da ESA que trabalha com dados do XMM-Newton.
No entanto, as medições sensíveis foram apenas o primeiro passo para poder tirar conclusões sobre o que essas esquisitices significam para a equação de estado da estrela de nêutrons. Para esse fim, a equipe de pesquisa de Nanda no ICE-CSIC combinou a expertise complementar de Alessio Marino, Clara Dehman e Konstantinos Kovlakas.
Alessio liderou a determinação das propriedades físicas das estrelas de nêutrons. A equipe pôde deduzir as temperaturas das estrelas de nêutrons a partir dos raios X enviados de suas superfícies, enquanto os tamanhos e velocidades dos remanescentes de supernovas ao redor deram uma indicação precisa de suas idades.
Em seguida, Clara assumiu a liderança no cálculo de ‘curvas de resfriamento’ de estrelas de nêutrons para equações de estado que incorporam diferentes mecanismos de resfriamento. Isso envolve traçar o que cada modelo prevê para como a luminosidade de uma estrela de nêutrons – uma característica diretamente relacionada à sua temperatura – muda ao longo do tempo. O formato dessas curvas depende de várias propriedades diferentes de uma estrela de nêutrons, nem todas as quais podem ser determinadas com precisão a partir de observações. Por esse motivo, a equipe calculou as curvas de resfriamento para uma gama de possíveis massas de estrelas de nêutrons e intensidades de campo magnético.
Finalmente, uma análise estatística liderada por Konstantinos reuniu tudo. Usando aprendizado de máquina para determinar o quão bem as curvas de resfriamento simuladas se alinham com as propriedades dos excêntricos, mostrou que equações de estado sem um mecanismo de resfriamento rápido têm chance zero de corresponder aos dados.
“A pesquisa sobre estrelas de nêutrons abrange muitas disciplinas científicas, abrangendo desde a física de partículas até ondas gravitacionais. O sucesso deste trabalho demonstra o quão fundamental é o trabalho em equipe para avançar nossa compreensão do Universo”, conclui Nanda.
Referência: “Restrições na equação de estado da matéria densa de estrelas de nêutrons isoladas, jovens e frias” por A. Marino, C. Dehman, K. Kovlakas, N. Rea, JA Pons e D. Viganò, 20 de junho de 2024, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y
