A matéria no coração das estrelas de nêutrons, resquícios densos de estrelas massivas que explodiram, assume a forma mais extrema que podemos medir. 

A estrela de nêutrons da NASA, Interior Composition Explorer (NICER), no centro, é um telescópio de raios-X a bordo da Estação Espacial Internacional. Crédito: NASA

Agora, graças aos dados da NASA ‘s Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), um telescópio de raios-X na Estação Espacial Internacional, os cientistas descobriram que este assunto misterioso é menos maleável do que alguns físicos previram.

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A descoberta é baseada nas observações do NICER da PSR J0740 + 6620 (J0740 para abreviar), a estrela de nêutrons de maior massa conhecida, que fica a mais de 3.600 anos-luz de distância, na constelação norte de Camelopardalis. A J0740 está em um sistema estelar binário com uma anã branca, o resfriamento remanescente de uma estrela semelhante ao Sol, e gira 346 vezes por segundo. Observações anteriores colocam a massa da estrela de nêutrons em cerca de 2,1 vezes a do sol.

“Estamos cercados por matéria normal, a matéria de nossa experiência cotidiana, mas há muito que não sabemos sobre como a matéria se comporta e como ela é transformada, sob condições extremas”, disse Zaven Arzoumanian, líder de ciência do NICER na NASA Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland. “Ao medir o tamanho e a massa das estrelas de nêutrons com o NICER, estamos explorando a matéria à beira de implodir em um buraco negro. Uma vez que isso aconteça, não podemos mais estudar a matéria porque ela está oculta pelo horizonte de eventos do buraco negro.”

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Arzoumanian e membros da equipe do NICER apresentaram suas descobertas no sábado, 17 de abril, em uma reunião virtual da American Physical Society, e artigos que descrevem as descobertas e suas implicações estão agora passando por revisão científica.

No final de sua vida, uma estrela muitas vezes mais pesada que o Sol fica sem combustível em seu núcleo, colapsa com seu próprio peso e explode em uma supernova. As mais pesadas dessas estrelas em explosão deixam para trás buracos negros. As mais leves geram estrelas de nêutrons, que acumulam mais massa do que o Sol em uma esfera tão larga quanto a ilha de Manhattan em Nova York.

Os cientistas acham que as estrelas de nêutrons têm camadas. Na superfície, uma fina atmosfera de átomos de hidrogênio ou hélio repousa sobre uma crosta sólida de átomos mais pesados. Na crosta, o rápido aumento da pressão retira os elétrons dos núcleos atômicos. Mais abaixo, no núcleo externo, os núcleos se dividem em nêutrons e prótons. A imensa pressão esmaga prótons e elétrons para formar um mar de principalmente nêutrons que são eventualmente compactados em até duas vezes a densidade de um núcleo atômico.

Os cientistas acham que as estrelas de nêutrons têm camadas. Conforme mostrado nesta ilustração, o estado da matéria em seus núcleos internos permanece misterioso. Crédito: Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab da NASA

Mas que forma a matéria assume no núcleo interno? São nêutrons até o fim ou os nêutrons se dividem em suas próprias partes constituintes, chamadas quarks?

Os físicos têm feito essa pergunta desde que Walter Baade e Fritz Zwicky propuseram a existência de estrelas de nêutrons em 1934. Para respondê-la, os astrônomos precisam de medições precisas dos tamanhos e massas desses objetos. Isso permite que eles calculem a relação entre pressão e densidade no núcleo interno da estrela e avaliem a capacidade de compressão final da matéria.

Em modelos tradicionais de uma estrela de nêutrons típica, uma com cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, os físicos esperam que o núcleo interno seja preenchido principalmente com nêutrons. A densidade mais baixa garante que os nêutrons permaneçam distantes o suficiente para permanecer intactos, e essa rigidez interna resulta em uma estrela maior.

Em estrelas de nêutrons mais massivas, como J0740, a densidade do núcleo interno é muito maior, comprimindo os nêutrons mais próximos. Não está claro se os nêutrons podem permanecer intactos nessas condições ou se, em vez disso, se dividem em quarks. Os teóricos suspeitam que eles quebram sob a pressão, mas muitas questões sobre os detalhes permanecem. Para obter respostas, os cientistas precisam de uma medição precisa do tamanho de uma estrela de nêutrons massiva. Uma estrela menor favoreceria cenários onde quarks vagueiam livremente nas profundezas mais internas porque as partículas menores podem ser empacotadas mais próximas. Uma estrela maior sugeriria a presença de formas mais complexas de matéria.

A gravidade de uma estrela de nêutrons deforma o espaço-tempo próximo, como uma bola de boliche apoiada em um trampolim. A distorção é forte o suficiente para redirecionar a luz do outro lado da estrela em nossa direção, o que faz a estrela parecer maior do que realmente é. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)

Para obter as medições precisas necessárias, o NICER observa estrelas de nêutrons em rotação rápida chamadas pulsares, descobertas em 1967 por Jocelyn Bell Burnell. Pontos quentes emissores de raios-X brilhantes se formam nas superfícies desses objetos. Conforme os pulsares giram, seus pontos giram dentro e fora de vista como os feixes de um farol, produzindo variações regulares em seu brilho de raios-X.

Mas os pulsares também são tão densos que sua gravidade distorce o espaço-tempo próximo, como uma bola de boliche pousada em um trampolim. Essa distorção é forte o suficiente para fazer com que a luz do outro lado da estrela - luz que de outra forma não poderíamos detectar - seja redirecionada para nós, o que faz o pulsar parecer maior do que realmente é. A mesma massa em um pacote menor produz maior distorção. Este efeito pode ser tão intenso que pode impedir que os pontos quentes desapareçam completamente à medida que giram em torno do pulsar.

Os cientistas podem tirar proveito desses efeitos porque o NICER mede a chegada de cada raio-X em mais de 100 nanossegundos. Rastreando como o brilho de raios-X do pulsar varia conforme ele gira, os cientistas podem reconstruir o quanto ele distorce o espaço-tempo. Como eles conhecem sua massa, eles podem traduzir essa distorção em um tamanho.

Duas equipes usaram abordagens diferentes para modelar o tamanho do J0740. Um grupo liderado por Thomas Riley e Anna Watts - pesquisador de pós-doutorado e professor de astrofísica na Universidade de Amsterdã, respectivamente, estima que o pulsar tenha cerca de 24,8 quilômetros de diâmetro. Uma equipe liderada por Cole Miller, professor de astronomia da Universidade de Maryland, College Park, descobriu que J0740 tinha cerca de 27,4 quilômetros de largura. Os dois resultados se sobrepõem significativamente dentro de suas incertezas, variando de 14,2 a 17 milhas (22,8 a 27,4 quilômetros) e 15,2 a 20,2 milhas (24,4 a 32,6 quilômetros), respectivamente.

Além dos dados do NICER, ambos os grupos também incluíram observações de raios-X do satélite XMM-Newton da Agência Espacial Europeia que foram úteis na contabilização do ruído de fundo. A massa do J0740 foi previamente determinada por medições de rádio feitas por cientistas do Observatório Nanohertz Norte Americano para Ondas Gravitacionais e colaborações do Experimento de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio do Canadá.

Em 2019, as equipes de Riley e Miller usaram dados do NICER para estimar o tamanho e a massa do pulsar J0030 + 0451 (ou J0030). Eles determinaram que o objeto tinha cerca de 1,4 vezes a massa do Sol e 16 milhas (26 quilômetros) de diâmetro.

“Nossas novas medições do J0740 mostram que, embora seja quase 50% mais massivo do que o J0030, é essencialmente do mesmo tamanho”, disse Watts. “Isso desafia alguns dos modelos mais compactáveis ??de núcleos de estrelas de nêutrons, incluindo versões em que o interior é apenas um mar de quarks. O tamanho e a massa do J0740 também representam problemas para alguns modelos menos compressíveis contendo apenas nêutrons e prótons.”

Modelos teóricos recentes propõem algumas alternativas, como núcleos internos contendo uma mistura de nêutrons, prótons e matéria exótica feita de quarks ou novas combinações de quarks. Mas todas as possibilidades precisarão ser reavaliadas no contexto dessas novas informações do NICER.

“O tamanho do J0740 deixou-nos, teóricos, perplexos e entusiasmados”, disse Sanjay Reddy, professor de física da Universidade de Washington que estuda a matéria sob condições extremas, mas não esteve envolvido na descoberta. “As medições do NICER, combinadas com outras observações de multimensageiros, parecem apoiar a ideia de que a pressão aumenta rapidamente em núcleos de estrelas de nêutrons massivos. Embora isso desfavorece as transições para formas mais compactáveis ??de matéria no núcleo, suas implicações ainda não foram totalmente compreendidas.”

A equipe de Miller também determinou o quão bem os cientistas podem estimar o tamanho de um pulsar, usando as medições J0740 e J0030 do NICER para suplementar as informações existentes de outros pulsares pesados ??e eventos de ondas gravitacionais, ondulações espaço-temporais geradas pelas colisões de objetos massivos como estrelas de nêutrons e buracos negros.

“Agora sabemos o raio de uma estrela de nêutrons padrão, com 1,4 vezes a massa do Sol, com uma incerteza de 5%”, disse Miller. “É como saber o tamanho de Washington, DC, cerca de um quarto de milha. O NICER não está apenas reescrevendo os livros didáticos sobre estrelas de nêutrons, mas também revolucionando nossa confiança em nossas medições de objetos que são muito distantes e muito pequenos”.

Além de testar os limites da matéria, as estrelas de nêutrons também oferecem um novo meio de explorar as vastas extensões do espaço. Em 2018, uma equipe de cientistas e engenheiros da NASA usou o NICER para demonstrar, pela primeira vez, a navegação totalmente autônoma no espaço usando pulsares, o que poderia revolucionar nossa capacidade de pilotar espaçonaves robóticas até os confins do sistema solar e além.

“NICER foi um ótimo companheiro de tripulação”, disse a astronauta da NASA Christina Koch, que atuou como engenheira de voo na estação espacial de março de 2019 a fevereiro de 2020, estabelecendo o recorde para o mais longo voo espacial individual feito por uma mulher. “A missão exemplifica todos os melhores aspectos da pesquisa da estação. É ciência fundamental revolucionária, ciência espacial e inovação tecnológica, tudo possibilitado pelo ambiente e plataforma únicos de um laboratório em órbita.”

O NICER é uma missão de oportunidade em astrofísica dentro do programa Explorers da NASA, que oferece oportunidades de voos frequentes para investigações científicas de classe mundial a partir do espaço, utilizando abordagens de gestão inovadoras, simplificadas e eficientes nas áreas de heliofísica e astrofísica. A Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial da NASA apoia o componente SEXTANT da missão, demonstrando a navegação em espaçonaves baseadas em pulsares.

Fonte: SciTechDaily