Quando se trata de “destruir” fantasmas cósmicos, apenas os objetos mais extremos do universo podem estar à altura da tarefa: estrelas de nêutrons.
Os cientistas realizaram simulações de colisões entre estas estrelas ultradensas e mortas, mostrando que tais eventos poderosos podem ser capazes de “capturar” brevemente neutrinos, também conhecidas como “partículas fantasmas”. A descoberta pode ajudar os cientistas a entender melhor fusões de estrelas de nêutrons como um todo, que são eventos que criam ambientes turbulentos o suficiente para forjar elementos mais pesados que o ferro. Tais elementos não podem nem ser criados no coração das estrelas — e isso inclui o ouro em seu dedo e a prata em seu pescoço.
Os neutrinos são considerados os “fantasmas” do zoológico de partículas devido à sua falta de carga e massa incrivelmente pequena. Essas características significam que raramente interagem com a matéria. Para colocar isso em perspectiva, enquanto você lê esta frase, mais de 100 trilhões de neutrinos estão fluindo pelo seu corpo a uma velocidade próxima à da luz, e você não consegue sentir nada.
Estas novas simulações de fusões de estrelas de neutrões foram realizadas por físicos da Penn State University e, em última análise, mostraram que o ponto em que estas estrelas mortas se encontram (a interface) se torna incrivelmente quente e denso. Na verdade, torna-se extremo o suficiente para enredar um bando desses “fantasmas cósmicos”.
Pelo menos por um curto período de tempo, de qualquer maneira.
Apesar de sua falta de interação com a matéria, neutrinos criados na colisão ficariam presos naquela interface de fusão de estrelas de nêutrons e se tornariam muito mais quentes do que os corações relativamente frios das estrelas mortas em colisão.
Relacionado: Ondas gravitacionais revelam a primeira fusão do tipo entre estrela de nêutrons e objeto misterioso
Isto é referido como os neutrinos estando “fora de equilíbrio térmico” com o frio núcleos de estrelas de nêutrons. Durante esta fase quente, que dura cerca de dois a três milissegundos, as simulações da equipa indicaram que os neutrinos podem interagir com a matéria das estrelas de neutrões em fusão, ajudando por sua vez a restabelecer o equilíbrio térmico.
“Estrelas de nêutrons antes da fusão são efetivamente frias. Embora possam ter bilhões de graus Kelvin, sua incrível densidade significa que esse calor contribui muito pouco para a energia do sistema”, disse o líder da equipe David Radice, professor assistente de física, astronomia e astrofísica no Eberly College of Science na Penn State, disse em um comunicado. “À medida que colidem, podem ficar muito quentes. A interface das estrelas em colisão pode ser aquecida a temperaturas na ordem dos triliões de graus Kelvin. No entanto, são tão densas que os fotões não conseguem escapar para dissipar o calor; em vez disso, pensamos que eles esfriar emitindo neutrinos.”
Configurando armadilhas de fantasmas cósmicos
As estrelas de nêutrons nascem quando uma estrela massiva com pelo menos oito vezes a massa do Sol fica sem o combustível necessário para a fusão nuclear no seu núcleo. Depois que o suprimento de combustível termina, a estrela não consegue mais se sustentar contra o impulso de sua própria gravidade.
Isto dá início a uma série de colapsos centrais que desencadeiam a fusão de elementos mais pesados, que então adquirem ainda mais pesado elementos. Esta cadeia termina quando o coração da estrela moribunda está cheio de ferro, o elemento mais pesado que pode ser forjado até mesmo no núcleo das estrelas mais massivas. Então, o colapso gravitacional acontece novamente, desencadeando um explosão de supernova que destrói as camadas externas da estrela e a maior parte de sua massa.
Em vez de forjar novos elementos, este colapso final do núcleo forja um estado de matéria inteiramente novo, único no interior das estrelas de nêutrons. Negativo elétrons e positivo prótons são forçados juntos, criando um sopa ultradensa de nêutrons, que são partículas neutras. Um aspecto da física quântica chamado “pressão de degeneração” evita que esses núcleos ricos em nêutrons entrem em colapso ainda mais, embora isso possa ser superado por estrelas com massa suficiente para colapsarem completamente – para dar origem a buracos negros.
O resultado desta série de colapsos é uma estrela morta densa, ou estrela de neutrões, com entre uma e duas vezes a massa da estrela original – comprimida numa largura de cerca de 20 quilómetros. Para contextualizar, a matéria que compõe as estrelas de nêutrons é tão densa que, se uma colher de sopa dela fosse trazida para a Terra, pesaria quase tanto quanto o Monte Everest. Talvez mais.
No entanto, essas estrelas extremas nem sempre vivem (ou morrem) isoladas. Alguns sistemas estelares binários contêm duas estrelas com massa suficiente para gerar estrelas de nêutrons. Como estes estrelas binárias de nêutrons orbitam um em torno do outro, eles emitem ondulações na própria estrutura do espaço e do tempo chamada ondas gravitacionais.
À medida que essas ondas gravitacionais ecoam de binários de estrelas de nêutrons, eles levam consigo o momento angular. Isto resulta na perda de energia orbital no sistema binário e faz com que as estrelas de nêutrons se aproximem. Quanto mais perto orbitam, mais rapidamente emitem ondas gravitacionais – e mais rapidamente as suas órbitas se estreitam ainda mais. Eventualmente, a gravidade das estrelas de nêutrons assume o controle, e o estrelas mortas colidem e mesclar.
Esta colisão cria “sprays” de nêutrons, enriquecendo o ambiente ao redor da fusão com versões livres dessas partículas. Estas podem ser “agarradas” pelos átomos dos elementos neste ambiente durante um fenômeno chamado “processo de captura rápida“(processo r). Isso cria elementos superpesados que sofrem decaimento radioativo para criar elementos mais leves que ainda são mais pesados que o ferro. Pense em ouro, prata, platina e urânio. O decaimento desses elementos também cria uma explosão de luz que os astrônomos chamam de “quilonova.”
Os primeiros momentos das colisões de estrelas de nêutrons
Os neutrinos também são criados durante os primeiros momentos da fusão de uma estrela de nêutrons, à medida que os nêutrons são destruídos, diz a equipe, criando elétrons e prótons. E os pesquisadores queriam saber o que poderia estar acontecendo nesses momentos iniciais. Para obter algumas respostas, eles criaram simulações que usam uma enorme quantidade de poder computacional para modelar a fusão de estrelas binárias de nêutrons e a física associada a tais eventos.
As simulações da equipa da Penn State revelaram pela primeira vez que, por um breve momento, o calor e a densidade gerados por uma colisão de estrelas de neutrões são suficientes para aprisionar até neutrinos, que em todas as outras circunstâncias ganharam os seus apelidos fantasmagóricos.
“Esses eventos extremos ampliam os limites da nossa compreensão da física, e estudá-los nos permite aprender coisas novas”, acrescentou Radice. “O período em que as estrelas em fusão estão fora de equilíbrio é de apenas dois a três milissegundos, mas tal como a temperatura, o tempo é relativo aqui; o período orbital das duas estrelas antes da fusão pode ser tão pequeno quanto um milissegundo.
“Esta breve fase de desequilíbrio é quando ocorre a física mais interessante. Quando o sistema retorna ao equilíbrio, a física é melhor compreendida.”
A equipe pensa que as interações físicas precisas que ocorrem durante fusões de estrelas de nêutrons poderia influenciar os sinais de luz desses eventos poderosos que poderiam ser observados na Terra.
“Como neutrinos interagem com a matéria das estrelas e eventualmente são emitidos podem impactar as oscilações dos remanescentes fundidos das duas estrelas, que por sua vez podem impactar o que as forças eletromagnéticas e sinais de ondas gravitacionais da fusão parece quando chegam até nós aqui na Terra”, disse o membro da equipe Pedro Luis Espino, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e na Universidade da Califórnia, Berkeley, no comunicado. “Detectores de ondas gravitacionais de última geração poderiam ser projetados para procurar por esses tipos de diferenças de sinal. Dessa forma, essas simulações desempenham um papel crucial, permitindo-nos obter insights sobre esses eventos extremos enquanto informam experimentos e observações futuras em um tipo de loop de feedback.
“Não há forma de reproduzir estes eventos num laboratório para os estudar experimentalmente, por isso a melhor janela que temos para compreender o que acontece durante uma fusão binária de estrelas de neutrões é através de simulações baseadas em matemática que surge de Teoria da relatividade geral de Einstein.”
A pesquisa da equipe foi publicada em 20 de maio na revista Cartas de revisões físicas.
Postado originalmente em Espaço.com.
