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O que são as Estrelas de Nêutrons?


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           As Estrelas de Nêutron são, como eu posso dizer, parentes próximas dos Buracos Negros. Se uma estrela com cerca de 8 massas estrelas estiver em seus últimos suspiros (basicamente, se não possuir mais hidrogênio suficiente para fundir) o núcleo colapsa durante o processo de explosão da supernova (1), marcando o início do nascimento dessas estrelas.

           A partir desse ponto, 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 à nêutrons, bastante 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. E a energia liberada entre as fusões de prótons e elétrons deixa as temperaturas internas dessas estrelas em patamares incríveis, alcançando algo em torno de 1000000000000°C! Com o tempo, devido à retirada de calor pela expulsão de neutrinos e outras partículas da estrela, essa temperatura cai cerca de 6 zeros.
 
Fonte da maior parte dos nêutrons dentro de uma Estrela de Nêutrons

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            Caso a massa dessas estrelas fosse maior do que 10 massas solares, as pressões seriam ainda maiores, dando origem aos buracos negros, corpos que comportam as maiores densidades do Universo conhecido. Mesmo assim, as pressões e densidades das estrelas de nêutrons fogem à imaginação. Tente conceber um corpo 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 nosso Sol possui 1,392 milhões de quilômetros, comportando uma massa 332900 vezes maior do que a do nosso planeta! Agora pegue dois desse monstro e compacte em um espaço menor do que uma pequena cidade. Entendeu agora o real significado de 'corpo estelar extremamente denso'?

            A densidade global das Estrelas de Nêutron é em torno de 590000000000000000 kg/m3! Sim, 59 seguido de 16 zeros! Para você ter uma ideia, a densidade do chumbo, um dos nossos materiais mais densos, é de 11340 kg/m3. A densidade dessas estrelas é comparável com a densidade do núcleo atômico dos átomos! E olha que a densidade só vai aumentando indo para o seu interior, por causa, claro, da maior pressão exercida pela massa mais exterior. O núcleo chega a alcançar densidades acima do núcleo dos átomos! Nessa região, ninguém sabe o que pode estar contido ali (veja na figura abaixo, um esquema de composição dessas estrelas). 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 de massa! Tudo podendo ser guardado no bolso da sua calça!



           Bem, já deu para perceber a densidade monstruosa delas. Devido a ela, as distorções gravitacionais na superfície dessas estrelas (provavelmente feita de ferro sólido, envolto em um verdadeiro mar de elétrons) são também estrondosas, alcançando cerca de 1000000000000 vezes a do nosso planeta! A aceleração da gravidade seria próxima de 10000000000000 m/s2, e corpo próxima da sua superfície podem ser acelerados em velocidades de 100000 a 150000 km/s, ou seja, entre 1 terço ou mais da velocidade da luz! Com essa aceleração, qualquer corpo que chega próximo demais é aniquilado! Aqui, as dilatações da massa agem com força a partir dos princípios da Teoria da Relatividade, já discutidas em outros posts (Qual é a relação entre Outro, Mercúrio e a Relatividade?). Além disso, o campo magnético dessas estrelas pode ser centenas de milhões de vezes mais forte do que qualquer um encontrado na Terra.

           Outra curiosidade das Estrelas de Nêutron é que elas conservam o momento angular em relação à rotação das estrelas originais que as formaram. Com isso, já que seu tamanho se torna ultra reduzido, elas, depois da formação, apresentam rotações muito rápidas, ultrapassando as centenas de voltas por segundo! Isso faz com que ela se torne uma esfera achatada. Depois de muito, muito tempo, sua velocidade de rotação vai diminuindo aos poucos, devido à rotação própria dos seus campos magnéticos (gigantescos, por sinal). Devido a efeitos não bem entendidos, essa rotação alimenta mecanismos de ejeção de radiação pulsante de raio-X. Assim, os astrônomos conseguem identificá-las. Caso a rotação seja mínima para produzir esses efeitos, ou não tenha efeitos gravitacionais em corpos celestes próximos, as estrelas de nêutrons se tornam invisíveis para nós, pelo menos com a nossa tecnologia atual. A mais rápida conhecida, a PSR J1748-2446ad, possui rotação de 716 voltas por segundo!

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   QUAL O LIMITE DE MASSA DE UMA ESTRELA DE NÊUTRON?

        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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   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 são ainda um mistério para nós, mas ferramentas astronômicas de observação cada vez mais avançadas e teorias cada vez mais sofisticadas estão próximas de mudar essa história.
          
OBS.: Eu evitei colocar os número em notação científica para dar uma ideia melhor dos imensos valores para as pessoas que não possuem uma noção dessa forma de abreviação nas medições.

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(1) O que são os Buracos Negros?

(2) Astrônomos detectam a fusão entre duas estrelas de nêutrons a partir de ondas gravitacionais e eletromagnéticas resultantes do violento processo!

(3) O que são as Ondas Gravitacionais?


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.chandra.harvard.edu/blog/node/432
  2. http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/science/neutron_stars.html
  3. http://www.if.ufrgs.br/hadrons/glendenning.pdf
  4. https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html
  5. https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xte/learning_center/ASM/ns.html 
  6. http://www.ns-grb.com/PPT/Lattimer.pdf
  7. http://www.sciencemag.org/news/2018/02/gravitational-waves-help-reveal-weight-limit-neutron-stars-densest-objects-cosmos