O que são as Estrelas de Nêutrons?

- Atualizado no dia 30 de julho de 2025 -

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As estrelas de nêutrons representam os corpos estelares conhecidos mais próximos da existência de um buraco negro. Se uma estrela com 8-10 massas solares estiver em seus últimos suspiros - ou seja com o combustível de fusão nuclear (ex.: hélio e hidrogênio) se esgotando - o núcleo estelar colapsa durante o processo de explosão da supernova, marcando o início do nascimento de uma estrela de nêutrons.

A partir do ponto de colapso, as pressões se tornam tão grandes que até os os elétrons e prótons dos elementos constituintes da massa remanescente que ficou na pós-explosão (especialmente elementos mais pesados, como o ferro) são fundidos uns contra os outros, dando origem a nêutrons, muita energia e neutrinos. Somando-se com os nêutrons já presentes nos núcleos dos átomos que compunham a estrela original, a massa resultante se torna um gigantesco corpo lotado dessas subpartículas. E, por isso, o nome: "estrela de nêutrons". Como os átomos são destruídos e substituídos por nêutrons, o enorme volume relativo associado à eletrosfera desaparece, permitindo que uma enorme massa ocupe um relativo pequeno espaço (!). E a energia liberada entre as fusões de prótons e elétrons deixa as temperaturas internas dessas estrelas em patamares inacreditáveis, alcançando ~10¹² ºC ou ~1000000000000°C! Com o tempo, devido à retirada de calor pela expulsão de neutrinos, fótons e outras partículas da estrela, essa temperatura cai cerca de 6 zeros.

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(!) Os átomos (elementos químicos nas estrelas) são compostos por um denso núcleo constituído de prótons e de nêutrons, e de uma eletrosfera que ocupa quase toda a totalidade do volume atômico. Na eletrosfera, temos elétrons com uma massa quase desprezível. Se o átomo fosse do tamanho de uma Catedral, podemos fazer uma aproximação de que o núcleo (prótons + nêutrons) teria a dimensão de uma pequena mosca, e onde praticamente toda a massa do átomo está concentrada. Para mais informações: Somos um grande vazio?

> Durante a formação de uma estrela de nêutrons, esta frequentemente recebe um "chute" no nascimento e é lançada a velocidades de até ~1500 km/s (média de ~350-400 km/s). Esse chute - também presente no nascimento de buracos negros - é pensado de ter origem da explosão assimétrica de supernovas. Ref.12

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Fonte da maior parte dos nêutrons dentro de uma estrela de nêutrons

Caso a massa da estrela progenitora em colapso fosse maior do que 8-10 massas solares, as pressões resultantes seriam ainda maiores, dando origem aos buracos negros, corpos que exibem a maior densidade conhecida do universo - a qual tende ao infinito na singularidade (O que são os Buracos Negros?).

Existe uma estrela de nêutrons no centro da Supernova 1987A, cuja explosão foi observada há 37 anos na Grande Nuvem de Magalhães - essa última uma galáxia-anã vizinha da Via Láctea. A imagem acima da supernova combina dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb. A região azul no centro representa uma fonte compacta de argônio e enxofre, cujas emissões são resultantes da ionização por raio-X e ultravioleta (UV) da estrela de nêutrons; as emissões circulares e espirais amareladas externas - com exceção das três esferas (estrelas não envolvidas) - representam grande parte da massa da estrela progenitora (~15-20 massas solares) sendo expelida no espaço pela explosão e se expandindo a milhares de quilômetros por segundo. A supernova está distante 160 mil anos-luz da Terra e foi observada através da detecção de ~20 neutrinos - de um total de 10^58 neutrinos previstos (correspondendo a 99,9% da energia liberada no evento). Ref.17

Curiosidade:

Físicos propõem algo inesperado: Bombas atômicas de fissão podem deflagrar supernovas em Anãs Brancas

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Voltando às estrelas de nêutrons, tente imaginar um corpo esférico medindo entre 10 e 11 quilômetros de diâmetro comportando uma massa entre 1,5 e 2,2 massas solares. Para você ter uma ideia, o Sol possui 1,392 milhão de quilômetros de diâmetro, com uma massa 332900 vezes maior do que aquela do nosso planeta. Agora pegue dois sóis e compacte-os em um espaço menor do que uma pequena cidade ou de um bairro como Manhattan.

A densidade global das estrelas de nêutrons é em torno de 59 x 10¹⁶ kg/m³ ou 590000000000000000 kg/m³! Para você ter uma ideia, a densidade do chumbo, um dos materiais mais densos conhecidos, é de 11340 kg/m³. A densidade dessas estrelas é comparável à densidade do núcleo atômico dos átomos. E mais: a densidade aumenta no sentido do interior da estrela de nêutrons, por causa da progressiva maior pressão exercida pela massa nas camadas mais externas. O núcleo da estrela de nêutrons chega a alcançar densidades acima do núcleo dos átomos! Nessa região, ninguém sabe o que pode estar contido ou acontecendo ali. Se pudéssemos encher uma colher de chá (cerca de 5 mL) com o material de uma estrela de nêutrons, teríamos uma colher que poderia estar carregando mais de 5,5 bilhões de toneladas ou superior à massa total de pessoas da Terra!

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Observação: Cerca de 5-10% da massa final constituindo uma estrela de nêutrons é formada por prótons e elétrons. Um estudo publicado recentemente na Nature (Ref.8) trouxe resultados de cálculos implicando que o extremo excesso de nêutrons pode dramaticamente aumentar os efeitos de correntes de curta distância sobre os prótons (estes passam a se mover mais rápido do que os nêutrons, carregando de forma desproporcional uma grande parte da energia média do sistema), o que pode afetar a taxa de resfriamento e equação de estado nesse tipo de estrela. Em outras palavras, mesmo estando em minoria, os prótons nas estrelas de nêutrons podem ter papel crucial em propriedades dessa última como razão da massa pelo tamanho, dureza e processo de resfriamento.
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Como consequência da densidade extrema, os efeitos gravitacionais na superfície dessas estrelas - provavelmente constituída de ferro sólido, envolto em um verdadeiro mar de elétrons - são estrondosos, associados a um campo gravitacional 2x10¹¹ vezes maior do que aquele da Terra. Nesse sentido, corpos próximos da sua superfície podem ser acelerados em velocidades de até 100000-150000 km/s, ou seja, entre um terço ou mais da velocidade da luz. Com essa aceleração, qualquer corpo que chega próximo demais é aniquilado. Efeitos relativísticos se tornam muito evidentes (Qual é a relação entre Ouro, Mercúrio e a Relatividade?), produzindo fenômenos similares àqueles observados nos buracos negros. Além disso, o campo magnético de algumas estrelas de nêutrons conhecidas como magnetares pode ser centenas de trilhões de vezes mais forte do que o campo magnético da Terra, tornando-as muito brilhantes e fontes variáveis de raio-X.

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> Assim como buracos negros, se uma estrela de nêutrons está em um sistema binário e "rouba" matéria da estrela companheira, raios-X em abundância são produzidos como resultado do disco de acreção. A luz dos discos de acreção ao redor de estrelas de nêutrons é muito similar à luz de discos ao redor de buracos negros.

> Estima-se que ~10% de todas as estrelas de nêutrons são observadas como magnetares em algum ponto da evolução desses corpos. Magnetares possuem campos magnéticos dipolares de aproximadamente 10¹⁴ – 10¹⁵ G, produzidos aparentemente por mecanismos de dínamo*. Ref.13

> Estrelas de nêutrons, em geral, possuem poderosos campos magnéticos, em torno de 1 trilhão de vezes maior do que aquele da Terra e milhões de vezes maiores do que aqueles produzidos pela tecnologia humana. No interior dessas estrelas temos um fluido de prótons e elétrons, os quais fluem sem fricção (supercondução) e produzem fortes campos magnéticos no processo.

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Outra curiosidade relativa a uma estrela de nêutrons é que esta conserva o momento angular em relação à rotação da estrela original que a formou. Nesse sentido, já que seu tamanho se torna ultra reduzido comparado à estrela progenitora, a estrela de nêutrons, depois de formada, exibe rotações muito rápidas, de centenas até potencialmente milhares de voltas por segundo! Isso faz com que se torne uma esfera achatada. Depois de muito, muito tempo, essa velocidade de rotação vai diminuindo aos poucos, devido à rotação própria do seu poderoso campo magnético. Junto com os campos magnéticos e outros mecanismos, a rotação pode produzir radiação pulsante de raio-X. Ao detectar esses pulsos de radiação, astrônomos conseguem identificar estrelas de nêutrons - no caso, pulsares - no universo. Na ausência de rotação mínima para produzir esses pulsos ou de efeitos gravitacionais observáveis, as estrelas de nêutrons se tornam invisíveis para nós. A maioria das estrelas de nêutrons conhecidas são pulsares.

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> As estrelas de nêutrons [pulsares] com o giro mais rápido conhecido (objetos 4U 1820-30 e PSR J1748-2446ad) possuem rotação de 716 voltas por segundo.

> Existe evidência de que estrelas de nêutrons rotatórias podem ter deformações na superfície ("montanhas") capazes de gerar ondas gravitacionais que podem ser detectadas aqui na Terra.

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Qual é o limite de massa de uma estrela de nêutrons?

Astrofísicos há muito tempo tentam esclarecer o quão massivo uma estrela de nêutrons pode ser sem colapsar sob sua própria gravidade e se transformar em um buraco negro. De todas as características de uma estrela de nêutron, as mais importantes são sua massa e raio máximos, segundo os especialistas na área.

Recentemente, com a ajuda dos dados gerados pela fusão entre duas estrelas de nêutrons ano passado (2) - envolvendo a detecção de ondas gravitacionais (3) -, quatro distintos grupos de cientistas chegaram a um limite comum máximo de massa que essas estrelas podem suportar: cerca de 2,2 vezes aquela do Sol.

De acordo com os pesquisadores, a fusão primeiro produziu uma massiva estrela de nêutrons giratória propelida por força centrífuga. As emissões energéticas captadas após o evento representaram a ejeção para o Espaço entre 0,1 e 0,2 massas solares de novos elementos radioativos formados no choque, bem mais do teria escapado de um buraco negro. Isso indica que não houve a formação de um buraco negro logo após a fusão. O material ejetado emitiu um brilho azul no começo, indicando a falta de elementos metálicos pesados chamados de lantanídeos. Nesse sentido, um fluxo de partículas chamados de neutrinos teria freado a formação desses elementos, e uma estrela de nêutrons emite uma enorme quantidade de neutrinos. Ou seja, mais uma forte evidência de que, inicialmente, era uma estrela de nêutrons.

Pouco tempo depois, uma curta explosão de raios gamas foi detectada, muito provavelmente o sinal do nascimento de um buraco negro, indicando que a massa fundida das duas estrelas de nêutrons colapsou dentro de segundos.

Para derivar os limites de massa, os cientistas se basearam nas teorias que explicam a física das estrelas de nêutrons. Seguindo cálculos teóricos, argumentou-se que, inicialmente, as camadas exteriores da nova estrela de nêutrons fundida girou mais rápido do que seu centro. Então, a ejeção de parte do seu material freou sua movimentação para a formação de um corpo giratório sólido cuja massa correspondia à massa original no momento da fusão (2,73 massas solares) subtraída da massa ejetada. O fato da estrela de nêutron ter sobrevivido somente por alguns segundos sugere que ela estava perto do seu limite de massa (!).

Aliás, a massa final de fusão representou um momento de sorte para os cientistas. Se fosse muito grande, teria colapsado rápido demais para permitir os cálculos. Se fosse muito baixa, teria resultado em uma estrela de nêutron bastante estável, e que demoraria muito tempo para colapsar em um buraco negro.

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> Ao consumir material ou se fundir com outras estrelas, estrelas de nêutrons podem ficar muito massivas a ponto de colapsar em um buraco negro.

> Fusão de estrelas de nêutrons podem ser detectadas aqui na Terra através de ondas gravitacionais geradas no processo. Para mais informações: O que são as Ondas Gravitacionais?

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(!) Estrela de Nêutrons Negra

Astrônomos podem ter detectado uma possível exceção à regra que foge do limite de massa estimado para estrelas de nêutrons. Um sinal altamente anômalo (GW190814), detectado pelos observatórios LIGO e Virgo nos EUA e na Itália, acusou uma nova classe de sistema binário (dois objetos astronômicos orbitando um em torno do outro). O achado foi descrito no periódico Astrophysical Journal Letters (Ref.9).

No estudo, os pesquisadores reportaram que o sinal foi gerado por um objeto compacto (uma estrela de nêutrons ou um buraco negro) 2,6 vezes a massa do Sol se fundindo (coalescendo) com um buraco negro de 23 massas solares.

A natureza do objeto compacto - apelidado de 'estrela de nêutrons negra' - desafia modelos estelares tradicionais, por ser mais massivo do que qualquer estrela de nêutrons conhecida e bem menos massivo do que qualquer buraco negro já observado. Esse 'intermediário' chama bastante a atenção porque acreditava-se até o momento que nenhuma estrela, seja qual o seu tipo ou massa, não deixavam remanescentes pós-morte com uma massa entre 2,5 e 5 vezes a massa do Sol.

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> O padrão do sinal gerado também corroborou, mais uma vez, a validade e predições da Teoria da Relatividade Geral (O que é a Teoria da Relatividade Geral e Especial?).

> Recentemente astrônomos detectaram um objeto (PSR J0514−4002E) na Via Láctea com até 2,71 massas solares. Isso sugere que o objeto ou é um buraco negro de massa muito baixa ou uma estrela de nêutrons muito massiva. Distante quase 40 mil anos-luz e parte de um sistema binário - interagindo com um pulsar (>170 rotações/s) -, o objeto parece ter sido formado pela fusão entre duas estrelas de nêutrons. Ref.11

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Prótons, Nêutrons e Núcleo

A força nuclear forte - uma das quatro forças fundamentais na natureza, junto com a gravidade, o eletromagnetismo e a força fraca - marca a interação entre núcleons (prótons e nêutrons) responsável por manter o núcleo atômico coeso. Essa força tem origem de interações fundamentais entre quarks e glúons (os constituintes dos núcleons) que são descritos pelas equações de cromodinâmicas quânticas. No entanto, como essas equações não podem ser resolvidas diretamente, a força nuclear forte somente era descrita até recentemente por modelos mais simples, cujos limites esbarravam em uma distância mínima entre os núcleons vistas no núcleo atômico. Para interações de distâncias mais curtas que ocorrem, por exemplo, em corpos de altíssima densidade - como o núcleo de estrelas de nêutrons - essas equações permaneciam sem resolução.

Em um estudo de 2020, publicado na Nature (Ref.8), pesquisadores conseguiram superar esse obstáculo ao analisar um acumulado robusto de dados experimentais oriundos de experimentos usando espalhamento de elétrons em alta-energia e alto-momento no interior de aceleradores de partículas. Os resultados da análise mostraram uma inesperada transição: enquanto que a distâncias relativamente grandes (ex.: no núcleo atômico) a força forte age primariamente para atrair um próton para um nêutron, a distâncias muito curtas a força forte se torna essencialmente indiscriminada, e as interações podem ocorrer não apenas para atrair essas partículas, mas também para repeli-las (incluindo separando pares de nêutrons).

O achado também inesperadamente se encaixou em um modelo simples descrevendo a formação de interações de curta distância entre núcleons devido à força forte. Além disso, e contrariando o senso comum acadêmico, a análise possibilitou demonstrar que o núcleo de uma estrela de nêutron pode ser descrito estritamente pelas interações entre prótons e nêutrons, sem a necessidade de recorrer a interações mais complexas entre quarks e glúons. Físicos até o momento assumiam que em ambientes extremamente densos e caóticos, como o núcleo de estrelas de nêutrons, as interações entre nêutrons e prótons deveriam dar espaço para mais complexas interações entre os seus constituintes mais fundamentais - uma verdadeira sopa de quarks e glúons.

No entanto, é válido mencionar que pesquisadores Finlandeses, em um estudo mais recente no periódico Nature Physics (Ref.10), encontraram evidência de matéria exótica constituída de quarks dentro do núcleo das maiores estrelas de nêutrons conhecidas (~2 massas solares). Isso entra em acordo com a teoria governando a força nuclear forte - Cromodinâmicas Quânticas -, a qual prediz que em sistemas de suficiente alta densidade de energética, matéria nuclear hadrônica passa por uma transição de desconfinamento para uma nova fase de quarks e glúons - algo já confirmado em colisões de íons pesados a velocidades ultra-relativísticas, mas incerto de existir nas estrelas de nêutrons.

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CONCLUSÃO

É estimado que existam mais de 100 milhões de estrelas de nêutrons espalhadas pelo Universo. Como a física desses corpos não pode ser reproduzida em pequena escala aqui na Terra, a maior parte da natureza dessas estrelas é ainda em grande parte um mistério para nós, mas ferramentas astronômicas de observação cada vez mais avançadas - especialmente os detectores de ondas gravitacionais - e teorias cada vez mais sofisticadas estão mudando essa história.

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