A Idade Dourada da física das Estrelas de nêutrons chegou

quando uma estrela massiva morre em uma supernova, a explosão é apenas o começo do fim. A maior parte da matéria estelar é atirada para longe, mas o coração cheio de ferro da estrela permanece para trás. Este núcleo embala tanta massa como dois sóis e rapidamente encolhe para uma esfera que abrangeria o comprimento de Manhattan. Esmagando a pressão interna-o suficiente para espremer o Monte Everest até ao tamanho de um cubo de açúcar — funde protões subatómicos e electrões em nêutrons.

astrônomos sabem muito sobre como as estrelas de nêutrons nascem., No entanto, Exatamente o que acontece depois, dentro destes núcleos ultra-densos, permanece um mistério. Alguns investigadores teorizam que os neutrões podem dominar até ao centro. Outros sugerem que a incrível pressão compacta o material em partículas mais exóticas ou afirma que esmaga e deforma de formas incomuns.agora, após décadas de especulação, os investigadores estão a aproximar-se da solução do enigma, em parte graças a um instrumento na Estação Espacial Internacional chamado The Neutron Star Interior Composition Explorer (nice).,

Em dezembro passado, este observatório espacial da NASA forneceu aos astrônomos algumas das medições mais precisas já feitas da massa e radius1,2 de uma estrela de nêutrons,bem como descobertas inesperadas sobre seu campo magnético 1, 3. A equipe mais simpática planeja lançar resultados sobre mais estrelas nos próximos meses. Outros dados estão a chegar de observatórios de ondas gravitacionais, que podem ver estrelas de neutrões a contorcer-se à medida que se colidem. Com estas observações combinadas, os pesquisadores estão preparados para zero no que preenche as entranhas de uma estrela de nêutrons.,

para muitos no campo, estes resultados marcam um ponto de viragem no estudo de alguns dos objetos mais desconcertantes do universo. “Esta está começando a ser uma era de ouro da física de nêutrons e estrelas”, diz Jürgen Schaffner-Bielich, um físico teórico da Universidade Goethe, em Frankfurt, Alemanha.lançado em 2017 a bordo de um foguete SpaceX Falcon 9, o telescópio US$62 milhões fica fora da estação espacial e recolhe raios-X vindos de Estrelas de nêutrons que irradiam partículas carregadas e energia em enormes colunas que varrem como feixes de um farol., Os raios-X originam-se de pontos quentes de um milhão de graus na superfície de um pulsar, onde um poderoso campo magnético rasga partículas carregadas do exterior e os empurra para baixo no pólo magnético oposto.

mais agradável detecta estes raios-X usando 56 telescópios revestidos a ouro, e carimbos de tempo a sua chegada para dentro de 100 nanossegundos. Com essa capacidade, os pesquisadores podem rastrear com precisão pontos críticos como uma estrela de nêutrons em torno de até 1.000 vezes por segundo. Hotspots são visíveis enquanto eles balançam através do objeto., Mas as estrelas de nêutrons warp espaço-tempo tão fortemente que nice também detecta a luz de pontos quentes virados para longe da Terra. A Teoria Geral da relatividade de Einstein fornece uma forma de calcular a razão massa-raio de uma estrela através da quantidade de luz-curvada. Isso e outras observações permitem que os astrofísicos fixem as massas e os raios das estrelas falecidas. Essas duas propriedades podem ajudar a determinar o que está acontecendo nos núcleos.

mistério escuro profundo

As Estrelas de nêutrons tornam-se mais complicadas à medida que se vai mais fundo., Sob uma atmosfera fina feita principalmente de hidrogênio e hélio, acredita-se que os remanescentes estelares ostentam uma crosta externa de apenas um centímetro ou dois de espessura que contém núcleos atômicos e elétrons de livre circulação. Os pesquisadores pensam que os elementos ionizados se encaixam na próxima camada, criando uma estrutura na crosta interna. Ainda mais abaixo, a pressão é tão intensa que quase todos os prótons se combinam com elétrons para se transformarem em nêutrons, mas o que ocorre além disso é turvo na melhor das hipóteses (ver “matéria densa”).,

“uma coisa É saber os ingredientes”, diz Jocelyn Leitura, um astrofísico da Universidade Estadual da Califórnia, em Fullerton. “É outra para entender a receita, e como esses ingredientes vão interagir uns com os outros.”

os físicos têm alguma ideia do que acontece, graças aos aceleradores de partículas na Terra., Em instalações como o Brookhaven National Laboratory, em Upton, Nova Iorque, e o Grande Colisor de Hádrons do CERN, perto de Genebra, Suíça, os pesquisadores reuniram íons pesados, como os de chumbo e ouro, para criar pequenas coleções de material monumentalmente denso. Mas esses experimentos cinéticos geram flashes de bilhões-ou mesmo trilhões-de graus, nos quais prótons e nêutrons se dissolvem em uma sopa de seus quarks e glúons constituintes. Os instrumentos terrestres têm dificuldade em sondar as condições relativamente suaves de milhões de graus dentro das Estrelas de nêutrons.,

Existem várias ideias sobre o que pode ocorrer. Pode ser que quarks e glúons vagueiem livremente. Ou, as energias extremas podem levar à criação de partículas chamadas hiperões. Como os neutrões, estas partículas contêm três quarks. Mas enquanto os nêutrons contêm os quarks mais básicos e de menor energia, conhecidos como quarks para cima e para baixo, um hiperão tem pelo menos um desses substituídos por um quark exótico “estranho”. Outra possibilidade é que o centro de uma estrela de nêutrons é um condensado de Bose–Einstein, um estado de matéria no qual todas as partículas subatômicas atuam como uma única entidade mecânica quântica., E os teóricos também sonharam com perspectivas ainda mais estranhas.crucialmente, cada possibilidade empurraria de uma forma característica contra a gravidade colossal de uma estrela de nêutrons. Eles gerariam diferentes pressões internas e, portanto, um raio maior ou menor para uma determinada massa. Uma estrela de nêutrons com um centro de condensado de Bose–Einstein, por exemplo, é provável que tenha um raio menor do que um feito de material comum, como nêutrons. Um com um núcleo feito de matéria maleável pode ter um raio ainda menor.,

“The types of particles and the forces between them affect how soft or squashy the material is,” says Anna Watts, a better team member at the University of Amsterdam.a diferenciação entre os modelos exigirá medições precisas do tamanho e massa das Estrelas de nêutrons, mas os pesquisadores ainda não foram capazes de empurrar suas técnicas para níveis finos o suficiente para dizer qual possibilidade é mais provável. Eles normalmente estimam massas observando Estrelas de nêutrons em pares binários., À medida que os objetos orbitam um ao outro, eles puxam gravitacionalmente um no outro, e os astrônomos podem usar isso para determinar suas massas. Cerca de 35 estrelas tiveram suas massas medidas desta forma, embora as figuras podem conter barras de erro de até uma massa solar. Cerca de uma dúzia também tiveram seus raios calculados, mas em muitos casos, as técnicas não podem determinar este valor para melhor do que alguns quilômetros — tanto quanto um quinto do tamanho de uma estrela de nêutrons.,

O método de hotspot de Nice tem sido usado pelo Observatório de raios XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, que foi lançado em 1999 e ainda está em operação. Mais agradável é quatro vezes mais sensível e tem centenas de vezes melhor resolução de tempo do que o XMM-Newton. Nos próximos dois a três anos, a equipe espera ser capaz de usar mais agradável para trabalhar as massas e raios de mais meia dúzia de alvos, apontando seus raios para dentro de meio quilômetro., Com esta precisão, o grupo será bem colocado para começar a traçar o que é conhecido como a equação de Estado de estrela de nêutrons, que relaciona a massa ao raio ou, equivalentemente, a pressão interna à densidade.se os cientistas são particularmente sortudos e a natureza serve dados especialmente bons, nice pode ajudar a eliminar certas versões desta equação. Mas a maioria dos físicos pensa que, por si só, o Observatório provavelmente reduzirá em vez de descartar completamente os modelos do que acontece nos núcleos dos objetos misteriosos.,

“This would still be a huge advance on where we are now”, says Watts.

linhas de campo

o primeiro alvo de Nice foi J0030+0451, um pulsar isolado que gira cerca de 200 vezes por segundo e é 337 parsecs (1.100 anos-luz) da terra, na constelação Pisces.

Dois grupos — um baseado, principalmente, na Universidade de Amsterdam1 e outro liderado por pesquisadores da Universidade de Maryland em College Park2 — separadamente peneirado através de 850 horas de observações, servindo como verifica um sobre o outro.,

Uma vez que as curvas de luz hotspot são tão complexas, os grupos precisavam de supercomputadores para modelar várias configurações e definir quais se encaixam melhor nos dados. Mas ambos chegaram a resultados semelhantes, achando que J0030 tem uma massa que é 1,3 ou 1,4 vezes a do sol, e um raio de aproximadamente 13 quilômetros.,

esses resultados não são definitivos: eles poderiam ser usados para suportar as previsões mundanas ou de outro mundo para o que está dentro das entranhas das Estrelas de nêutrons. “Ainda não há requisitos para nada estranho, louco ou exótico”, diz Andrew Steiner, um astrofísico nuclear da Universidade do Tennessee, Knoxville.os pesquisadores tiveram uma grande surpresa com descobertas sobre a forma e posição dos pontos críticos., A visão canônica das Estrelas de nêutrons tem suas linhas de campo magnético parecendo com as que cercam um íman de bar, com lados norte e sul emergindo de pontos circulares em extremidades opostas da estrela. Em contraste, as simulações de supercomputadores holandeses implicaram que ambos os pontos quentes do J0030 estão em seu hemisfério sul, e que um deles é longo e com forma crescente 1. A equipe de Maryland também surgiu com a possibilidade de uma solução de três hotspot: dois em forma oval sulista e um círculo final perto da pole3 Sul rotacional.,

“parece que eles podem ter feito a primeira detecção real de um pulsar onde as vigas não estão separados por 180 graus”, diz Natalie Webb, uma Astrofísica do Instituto de pesquisa em Astrofísica e planetologia em Toulouse, França, que modelou tais possibilidades. “Isso é fantástico se for verdade.”

Os resultados reforçar anterior observações e teorias sugerindo que as estrelas de nêutrons’ campos magnéticos, que são um trilhão de vezes mais forte que a do Sol, pode ser mais complexo do que geralmente se supõe., Após a sua primeira formação, pensa-se que os pulsares atrasam a sua rotação ao longo de milhões de anos. Mas se eles têm uma estrela companheira orbitando em torno deles, eles podem roubar material e Momento angular deste parceiro, aumentando sua rotação para velocidades superfast. À medida que a matéria é depositada no exterior da estrela, alguns teóricos sugerem que pode afetar uma camada fluida de neutrões subsuperfícies, gerando vórtices gigantescos que torcem o campo magnético da estrela de nêutrons em arranjos estranhos., A companheira pode finalmente ser consumida ou perder tanta massa que se torna gravitacionalmente livre e voa para longe, como poderia ter sido o caso com o agora solitário J0030.

trabalhos em curso

nice continua a observar J0030 para melhorar ainda mais a precisão das medições do seu raio. Ao mesmo tempo, a equipe está começando a analisar dados de um segundo alvo, um pulsar ligeiramente mais pesado com uma companheira anã branca., Outros astrônomos têm usado observações da dança orbital deste par para determinar a massa do pulsar, o que significa que pesquisadores MELHORES têm uma medição independente que eles podem usar para validar seus achados.

Entre os mais AGRADÁVEL metas, a equipe planeja incluir pelo menos um par de alto-massa pulsares, incluindo o atual recorde para a mais massiva estrela de nêutrons — um gigante com uma massa de 2,14 vezes maior que a do Sol. Isso deve permitir aos pesquisadores sondar um limite superior: o ponto no qual uma estrela de nêutrons colapsa em um buraco negro. Mesmo o objeto de 2.14-massa solar é um desafio para os teóricos para explicar. Vários pesquisadores também sugeriram que nice poderia ser capaz de encontrar duas estrelas de nêutrons com a mesma massa, mas diferentes raios., Isso sugere a presença de um ponto de transição, no qual pequenas diferenças criam dois núcleos distintos. Um pode conter principalmente nêutrons, por exemplo, e o outro pode ser composto de material mais exótico.apesar de mais agradável estar na vanguarda, não é o único instrumento de canalização das profundidades dos pulsares. Em 2017, o Observatório das ondas gravitacionais interferômetro laser dos EUA (LIGO), juntamente com o detector de Virgem na Itália, captou o sinal de Duas Estrelas de nêutrons colidindo e fundindo-se em conjunto 4., À medida que os objetos giravam em torno um do outro antes do acidente, eles emitiam ondas gravitacionais que continham informações sobre o tamanho e estrutura das estrelas. A influência gravitacional colossal de cada estrela puxou e deformou o seu parceiro, contorcendo ambas as esferas em forma de lágrima. A quantidade de distorção nesses momentos finais dá aos físicos pistas sobre a maleabilidade do material dentro das Estrelas de nêutrons.a instalação de LIGO em Livingston, Louisiana, apanhou um segundo esmagamento de uma estrela de nêutrons em abril passado, e mais eventos podem ser vistos a qualquer momento., Até agora, as duas fusões apenas insinuaram as propriedades dos interiores de Estrelas de nêutrons, sugerindo que eles não são particularmente deformáveis. Mas a geração atual de instalações não pode observar os momentos finais cruciais, quando a deformação seria maior e exibiria as condições internas mais claramente.

O Detector de ondas gravitacionais Kamioka em Hida, Japão, deverá ficar online no final deste ano, e a iniciativa Indiana em observações de ondas gravitacionais perto de Aundha Naganath, Marathwada, em 2024., Em combinação com LIGO e Virgem, eles vão melhorar a sensibilidade, potencialmente até mesmo capturar os detalhes dos momentos que levam a um acidente.olhando mais para o futuro, vários instrumentos planejados poderiam fazer observações que escapassem de observatórios de ondas gravitacionais mais agradáveis e atuais. Um satélite chinês–europeu chamado de “enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission”, ou eXTP, é esperado para lançar em 2027 e estudar Estrelas de nêutrons isoladas e binárias para ajudar a determinar sua equação de Estado., Pesquisadores também propuseram uma missão espacial que poderia voar na década de 2030 chamado Observatório espectroscópico de resolução de tempo para raios-X De Energia De Banda Larga, ou STROBE-X. seria usar a técnica de hotspot de Nice, prendendo as massas e raios de pelo menos mais 20 Estrelas de nêutrons com ainda mais precisão.os corações das Estrelas de nêutrons provavelmente guardarão sempre alguns segredos. Mas os físicos agora parecem bem colocados para começar a descascar as camadas., De leitura, que é um membro da LIGO equipe, diz que ela tem colaborado em um projeto para imaginar o que a questões científicas gravitacional de onda detectores seria capaz de enfrentar na década de 2030 e 2040. No processo, ela percebeu que o cenário de nêutrons estrelas, a investigação, em particular, a questão da equação de estado — deve ser muito diferente até então.

“tem sido este quebra-cabeça de longa data que você acha que estará sempre lá”, diz ela. “Agora estamos em um ponto onde eu posso ver a comunidade científica descobrindo o quebra-cabeça de estrutura de nêutrons e estrelas nesta década.