Estabelecendo novos limites no interior das estrelas de nêutrons

Como podemos entender ambientes que não podem ser replicados na Terra? Este é um desafio que os astrofísicos enfrentam o tempo todo. Em alguns casos, é em grande parte uma questão de descobrir como aplicar a física bem compreendida a condições extremas e depois comparar a saída dessas equações com as observações. Mas a notável exceção a isso é a estrela de nêutrons, onde as equações relevantes são bastante complicadas e as observações não fornecem muitos detalhes.

Portanto, embora tenhamos certeza de que há uma camada de nêutrons quase puros perto da superfície desses objetos, não temos certeza do que pode estar presente em sua profundidade mais interna.

Esta semana, a Nature está publicando um estudo que tenta nos aproximar do entendimento. Não nos dá uma resposta – ainda há muita incerteza. Mas é uma ótima oportunidade para analisar o processo de como os cientistas podem obter dados de uma ampla variedade de fontes e começar a reduzir essas incertezas.

E os nêutrons?

A matéria que compõe as estrelas de nêutrons começa como átomos ionizados perto do núcleo de uma estrela massiva. Uma vez que as reações de fusão de uma estrela param de produzir energia suficiente para neutralizar a atração gravitacional, esse material se contrai e sofre pressões crescentes. A força de esmagamento é suficiente para eliminar as fronteiras entre os núcleos atômicos, criando uma sopa gigante de prótons e nêutrons. No final, até os elétrons da região são forçados a formar muitos prótons, convertendo-os em nêutrons.

Isso finalmente fornece uma força para comprimir a força de esmagamento da gravidade. A mecânica quântica impede que os nêutrons ocupem o mesmo estado de energia, em estreita proximidade, e isso impede que os nêutrons se aproximem e, portanto, evitam o colapso em um buraco negro. Mas é possível que haja um estado intermediário entre uma massa de nêutrons e um buraco negro, onde as fronteiras entre os nêutrons começam a entrar em colapso, resultando em estranhos aglomerados de seus quarks constituintes.

Esses tipos de interações estão sujeitos à força forte, que une os quarks em prótons e nêutrons e, em seguida, une esses prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. Infelizmente, cálculos envolvendo força extrema são computacionalmente muito caros. Como resultado, não é possível fazê-los trabalhar com o tipo de energias e densidades encontradas em uma estrela de nêutrons.

Mas isso não significa que estamos presos. Temos estimativas aproximadas da força forte que pode ser calculada nas energias relevantes. E embora isso nos deixe com grande incerteza, é possível usar uma variedade de evidências empíricas para reduzir essas incertezas.

Como você vê uma estrela de nêutrons

As estrelas de nêutrons são incrivelmente compactas para sua massa, comprimindo uma massa maior que a massa do Sol dentro de um objeto com apenas cerca de 20 km de largura. O mais próximo que conhecemos está a centenas de anos-luz de distância, e a maior parte está muito mais longe. Então, parece que é impossível fazer muito com a forma como essas coisas são retratadas, certo?

Não completamente. Muitas estrelas de nêutrons estão em sistemas de outros corpos – em alguns casos, uma estrela de nêutrons. A maneira como esses dois objetos afetam as órbitas um do outro pode nos dizer muito sobre a massa de uma estrela de nêutrons. A NASA também tem um observatório dedicado de estrelas de nêutrons ligado à Estação Espacial Internacional. O NICER (Nutron Star Interior Composition Explorer) usa uma série de telescópios de raios-X para obter imagens detalhadas de estrelas de nêutrons enquanto elas giram. Isso permitiu que ela fizesse coisas como rastrear um arquivo Comportamento de ponto de acesso individual na superfície da estrela.

E o mais importante para este trabalho, NICER . Detecção de distorção do espaço-tempo em torno de grandes estrelas de nêutrons e use isso para gerar uma estimativa razoavelmente precisa de seu tamanho. Se combinado com uma estimativa sólida da massa de uma estrela de nêutrons, é possível descobrir a densidade e compará-la com o tipo de densidade que você esperaria de algo que são nêutrons puros.

Mas não estamos limitados apenas aos fótons quando se trata de avaliar a formação de estrelas de nêutrons. Nos últimos anos , fusão de estrelas de nêutrons Detectado por meio de ondas gravitacionais, os detalhes exatos desse sinal dependem das propriedades das estrelas que fazem a fusão. Portanto, essas fusões também podem ajudar a descartar alguns modelos potenciais de estrelas de nêutrons.