{"id":4084,"date":"2021-04-20T05:26:00","date_gmt":"2021-04-20T05:26:00","guid":{"rendered":"http:\/\/ccvalg.pt\/astronomia\/wordpress\/?p=4084"},"modified":"2021-04-20T05:26:02","modified_gmt":"2021-04-20T05:26:02","slug":"nicer-testa-a-capacidade-de-compressao-das-estrelas-de-neutroes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ccvalg.pt\/astronomia\/wordpress\/2021\/04\/20\/nicer-testa-a-capacidade-de-compressao-das-estrelas-de-neutroes\/","title":{"rendered":"NICER testa a capacidade de compress\u00e3o das estrelas de neutr\u00f5es"},"content":{"rendered":"\n
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O NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA \u00e9 um telesc\u00f3pio de raios-x instalado na Esta\u00e7\u00e3o Espacial Internacional.
Cr\u00e9dito: NASA<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

A mat\u00e9ria no cora\u00e7\u00e3o das estrelas de neutr\u00f5es – remanescentes densos de estrelas massivas que explodiram – assume a forma mais extrema que podemos medir. Agora, gra\u00e7as a dados do NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA, um telesc\u00f3pio de raios-X na ISS (International Space Station), os cientistas descobriram que esta mat\u00e9ria misteriosa \u00e9 menos comprim\u00edvel do que alguns f\u00edsicos previram.<\/p>\n\n\n\n

A descoberta \u00e9 baseada nas observa\u00e7\u00f5es pelo NICER de PSR J0740+6620 (J0740 para abreviar), a estrela de neutr\u00f5es mais massiva conhecida, que fica a mais de 3600 anos-luz de dist\u00e2ncia na dire\u00e7\u00e3o da constela\u00e7\u00e3o norte de Girafa. J0740 est\u00e1 num sistema bin\u00e1rio com uma an\u00e3 branca, o remanescente em arrefecimento de uma estrela parecida com o Sol, e gira 346 vezes por segundo. Observa\u00e7\u00f5es anteriores colocam a massa da estrela de neutr\u00f5es em cerca de 2,1 vezes a do Sol.<\/p>\n\n\n\n

“Estamos rodeados por mat\u00e9ria normal, as coisas da nossa experi\u00eancia quotidiana, mas h\u00e1 muito que n\u00e3o sabemos sobre como a mat\u00e9ria se comporta, e como \u00e9 transformada, sob condi\u00e7\u00f5es extremas,” disse Zaven Arzoumanian, l\u00edder cient\u00edfico do NICER no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. “Ao medir os tamanhos e massas das estrelas de neutr\u00f5es com o NICER, estamos a explorar a mat\u00e9ria \u00e0 beira de implodir num buraco negro. Quando isso acontece, j\u00e1 n\u00e3o podemos estudar a mat\u00e9ria porque est\u00e1 oculta pelo horizonte de eventos do buraco negro.”<\/p>\n\n\n\n

Arzoumanian e membros da equipa do NICER apresentaram os seus achados s\u00e1bado, dia 17 de abril, numa reuni\u00e3o virtual da Sociedade F\u00edsica Americana, e os artigos cient\u00edficos que descrevem as descobertas e as suas implica\u00e7\u00f5es est\u00e3o agora a passar por revis\u00e3o cient\u00edfica.<\/p>\n\n\n\n

No final da sua vida, uma estrela muitas vezes mais massiva do que o Sol fica sem combust\u00edvel no seu n\u00facleo, colapsa sob o seu pr\u00f3prio peso e explode como supernova. As mais massivas destas estrelas deixam para tr\u00e1s buracos negros. As mais leves formam estrelas de neutr\u00f5es, que acumulam mais massa do que o Sol numa esfera t\u00e3o pequena quanto uma cidade.<\/p>\n\n\n\n

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Os cientistas pensam que as estelas de neutr\u00f5es t\u00eam camadas. Como visto na imagem, o estado da mat\u00e9ria no seus n\u00facleos internos permanece misterioso.
Cr\u00e9dito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA\/CIL<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Os cientistas pensam que as estrelas de neutr\u00f5es t\u00eam camadas. Na superf\u00edcie, uma fina atmosfera de \u00e1tomos de hidrog\u00e9nio ou h\u00e9lio repousa sob uma crosta s\u00f3lida de \u00e1tomos mais pesados. Na crosta, o r\u00e1pido aumento da press\u00e3o retira os eletr\u00f5es dos n\u00facleos at\u00f3micos. Mais abaixo, no n\u00facleo externo, os n\u00facleos at\u00f3micos dividem-se em neutr\u00f5es e prot\u00f5es. A press\u00e3o imensa esmaga prot\u00f5es e eletr\u00f5es para formar um mar de principalmente neutr\u00f5es que s\u00e3o eventualmente comprimidos at\u00e9 duas vezes a densidade de um n\u00facleo at\u00f3mico.<\/p>\n\n\n\n

Mas que forma assume a mat\u00e9ria no n\u00facleo interno? Ser\u00e1 que s\u00e3o neutr\u00f5es at\u00e9 ao fim ou estes neutr\u00f5es dividem-se nas suas pr\u00f3prias partes constituintes, chamadas quarks?<\/p>\n\n\n\n

Os f\u00edsicos t\u00eam feito esta pergunta desde que Walter Baade e Fritz Zwicky propuseram a exist\u00eancia de estrelas de neutr\u00f5es em 1934. Para a responder, os astr\u00f3nomos requerem medi\u00e7\u00f5es precisas dos tamanhos e das massas destes objetos. Isto permite o c\u00e1lculo da rela\u00e7\u00e3o entre a press\u00e3o e a densidade no n\u00facleo interno da estrela e a avalia\u00e7\u00e3o da capacidade de compress\u00e3o final da mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

Nos modelos tradicionais de uma t\u00edpica estrela de neutr\u00f5es, uma com cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, os f\u00edsicos esperam que o n\u00facleo interno seja preenchido principalmente com neutr\u00f5es. A densidade mais baixa garante que os neutr\u00f5es permanecem distantes o suficiente para conservar-se intactos, e esta rigidez interna resulta numa estrela maior.<\/p>\n\n\n\n

Em estrelas de neutr\u00f5es mais massivas como J0740, a densidade do n\u00facleo interno \u00e9 muito maior, esmagando os neutr\u00f5es mais perto uns dos outros. N\u00e3o est\u00e1 claro se os neutr\u00f5es podem permanecer intactos sob estas condi\u00e7\u00f5es ou se, ao inv\u00e9s, se dividem em quarks. Os te\u00f3ricos suspeitam que se quebram sob a press\u00e3o, mas muitas quest\u00f5es sobre os detalhes ainda permanecem. Para obter respostas, os cientistas precisam de uma medi\u00e7\u00e3o precisa de uma estrela de neutr\u00f5es massiva. Uma estrela mais pequena favoreceria cen\u00e1rios onde os quarks vagueiam livremente nas profundezas mais internas porque as part\u00edculas mais pequenas podem ser mais comprimidas. Uma estrela maior sugere a presen\u00e7a de formas mais complexas de mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

Para obter as medi\u00e7\u00f5es precisas necess\u00e1rias, o NICER observa estrelas de neutr\u00f5es em r\u00e1pida rota\u00e7\u00e3o a que chamamos pulsares, descobertos em 1967 por Jocelyn Bell Burnell. \u00c0 superf\u00edcie destes objetos formam-se manchas quentes e brilhantes, emissoras de raios-X. Conforme os pulsares giram, as suas manchas giram para dentro e para fora de vista como feixes de um farol, produzindo varia\u00e7\u00f5es regulares no seu brilho em raios-X.<\/p>\n\n\n\n

Mas os pulsares tamb\u00e9m s\u00e3o t\u00e3o densos que a sua gravidade distorce o espa\u00e7o-tempo pr\u00f3ximo, como uma bola de bowling em repouso num trampolim. Esta distor\u00e7\u00e3o \u00e9 suficiente para fazer com que a radia\u00e7\u00e3o do outro lado da estrela – radia\u00e7\u00e3o que de outra forma n\u00e3o poder\u00edamos detetar – seja redirecionada para n\u00f3s, o que faz o pulsar parecer maior do que realmente \u00e9. A mesma massa num “pacote” mais pequeno produz maior distor\u00e7\u00e3o. Este efeito pode ser t\u00e3o intenso que pode impedir que as manchas quentes desapare\u00e7am completamente \u00e0 medida que giram em torno do pulsar.<\/p>\n\n\n\n

Os cientistas podem tirar proveito destes efeitos porque o NICER mede a chegada de cada raio-X com uma precis\u00e3o superior a 100 nanossegundos. Ao rastrear como o brilho dos raios-X do pulsar varia conforme gira, os cientistas podem reconstruir o quanto este distorce o espa\u00e7o-tempo. Como conhecem a sua massa, podem traduzir esta distor\u00e7\u00e3o num tamanho.<\/p>\n\n\n\n

Duas equipas usaram abordagens diferentes para modelar o tamanho de J0740. Uma equipa liderada por Thomas Riley e Anna Watts – investigador p\u00f3s-doutorado e professora de astrof\u00edsica da Universidade de Amesterd\u00e3o, respetivamente – estimam que o pulsar tem cerca de 24,8 km de di\u00e2metro. Uma equipa liderada por Cole Miller, professor de astronomia da Universidade de Marylan, em College Park, descobriu que J0740 tem aproximadamente 27,4 km de di\u00e2metro. Os dois resultados sobrep\u00f5em-se significativamente tendo em conta as suas incertezas, variando de 22,8 a 27,4 km e de 24,4 a 32,6 km, respetivamente.<\/p>\n\n\n\n

Al\u00e9m dos dados do NICER, ambos os grupos tamb\u00e9m inclu\u00edram observa\u00e7\u00f5es de raios-X pelo sat\u00e9lite XMM-Newton da ESA que foram \u00fateis na contabiliza\u00e7\u00e3o do ru\u00eddo de fundo. A massa de J0740 foi determinada anteriormente por medi\u00e7\u00f5es de r\u00e1dio feitas por cientistas das colabora\u00e7\u00f5es NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) e CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment).<\/p>\n\n\n\n

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A gravidade de uma estrela de neutr\u00f5es distorce o espa\u00e7o-tempo, como uma bola de bowling em repouso num trampolim. A distor\u00e7\u00e3o \u00e9 forte o suficiente para redirecionar luz do outro lado da estrela na nossa dire\u00e7\u00e3o, o que faz com que pare\u00e7a maior do que realmente \u00e9.
Cr\u00e9dito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA\/Chris Smith(USRA\/GESTAR)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Em 2019, as equipas de Riley e Miller usaram dados do NICER para estimar o tamanho e a massa do pulsar J0030+04512 (ou J0030). Determinaram que o objeto tinha cerca de 1,4 vezes a massa do Sol e 26 km de di\u00e2metro.<\/p>\n\n\n\n

“As nossas novas medi\u00e7\u00f5es de J0740 mostram que, embora seja quase 50% mais massivo que J0030, \u00e9 essencialmente do mesmo tamanho,” disse Watts. “Isto desafia alguns dos modelos mais compact\u00e1veis dos n\u00facleos das estrelas de neutr\u00f5es, incluindo vers\u00f5es em que o interior \u00e9 apenas um mar de quarks. O tamanho e a massa de J0740 tamb\u00e9m representam problemas para alguns modelos menos comprim\u00edveis contendo apenas neutr\u00f5es e prot\u00f5es.”<\/p>\n\n\n\n

Modelos te\u00f3ricos recentes prop\u00f5em algumas alternativas, como n\u00facleos internos contendo uma mistura de neutr\u00f5es, prot\u00f5es e mat\u00e9ria ex\u00f3tica feita de quarks ou novas combina\u00e7\u00f5es de quarks. Mas todas as possibilidades v\u00e3o precisar de ser reavaliadas no contexto destas novas informa\u00e7\u00f5es do NICER.<\/p>\n\n\n\n

“O tamanho de J0740 deixou-nos a n\u00f3s, te\u00f3ricos, perplexos e entusiasmados,” disse Sanjay Reddy, professor de f\u00edsica na Universidade de Washington que estuda a mat\u00e9ria sob condi\u00e7\u00f5es extremas, mas que n\u00e3o esteve envolvido na descoberta. “As medi\u00e7\u00f5es do NICER, combinadas com outras observa\u00e7\u00f5es multimensageiras, parecem apoiar a ideia de que a press\u00e3o aumenta rapidamente em n\u00facleos de estrelas de neutr\u00f5es massivas. Embora isto desfavore\u00e7a as transi\u00e7\u00f5es para formas mais compact\u00e1veis de mat\u00e9ria no n\u00facleo, as suas implica\u00e7\u00f5es ainda n\u00e3o s\u00e3o totalmente compreendidas.”<\/p>\n\n\n\n

A equipa de Miller tamb\u00e9m determinou o qu\u00e3o bem os cientistas podem estimar o tamanho de um pulsar, usando medi\u00e7\u00f5es de J0740 e J0030 pelo NICER para suplementar as informa\u00e7\u00f5es existentes de outros pulsares massivos e eventos de ondas gravitacionais, ondula\u00e7\u00f5es no espa\u00e7o-tempo geradas pelas colis\u00f5es de objetos massivos como estrelas de neutr\u00f5es e buracos negros.<\/p>\n\n\n\n

“Sabemos agora o raio de uma estrela de neutr\u00f5es padr\u00e3o, com 1,4 vezes a massa do Sol, at\u00e9 uma incerteza de 5%”, disse Miller. “\u00c9 como saber o tamanho de Washington, D.C., at\u00e9 cerca de 400 metros. O NICER n\u00e3o est\u00e1 apenas a reescrever os livros did\u00e1ticos sobre estrelas de neutr\u00f5es, mas tamb\u00e9m a revolucionar a nossa confian\u00e7a nas nossas medi\u00e7\u00f5es de objetos que s\u00e3o muito distantes e muito pequenos.”<\/p>\n\n\n\n

Al\u00e9m de testar os limites da mat\u00e9ria, as estrelas de neutr\u00f5es tamb\u00e9m fornecem um novo meio de explorar as vastas extens\u00f5es do espa\u00e7o. Em 2018, uma equipa de cientistas e engenheiros da NASA usou o NICER para demonstrar, pela primeira vez, a navega\u00e7\u00e3o totalmente aut\u00f3noma no espa\u00e7o usando pulsares, o que poderia revolucionar a nossa capacidade de pilotar naves espaciais rob\u00f3ticas at\u00e9 aos confins do Sistema Solar e al\u00e9m.<\/p>\n\n\n\n

“O NICER foi um \u00f3timo companheiro de tripula\u00e7\u00e3o,” disse a astronauta da NASA Christina Koch, engenheira de voo na ISS de mar\u00e7o de 2019 a fevereiro de 2020, estabelecendo o recorde para o voo espacial individual mais longo feito por uma mulher. “A miss\u00e3o exemplifica todos os melhores aspetos da investiga\u00e7\u00e3o na esta\u00e7\u00e3o espacial. \u00c9 ci\u00eancia fundamental revolucion\u00e1ria, ci\u00eancia espacial e inova\u00e7\u00e3o tecnol\u00f3gica, tudo possibilitado pelo ambiente \u00fanico e pela plataforma de um laborat\u00f3rio orbital.”<\/p>\n\n\n\n

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