Estrelas de neutrões e pulsares
Linas JuozėnasPartilhar
Arca do Conhecimento · Universo · Capítulo 04 / Artigo 06
Estrelas de neutrões e os impulsos que as revelam
A massa de um remanescente com apenas algumas dezenas de quilómetros de diâmetro pode ser superior à do Sol. Os seus sinais repetidos permitem-nos estudar matéria densa, detetar estrelas companheiras invisíveis e testar o funcionamento da gravidade.
Uma estrela pequena com uma grande história
A brilhante explosão de supernova é apenas uma etapa desta história. A estrela de neutrões sobrevivente pode continuar a girar, a arrefecer e a interagir com o ambiente durante muito tempo, depois de a luz da explosão se extinguir.
Alguns destes objetos manifestam-se como pulsares. Os seus sinais repetidos permitem aos astrónomos observar com uma precisão extraordinária uma estrela que, de outro modo, seria apenas um objeto distante e impossível de distinguir espacialmente.[8]
No artigo anterior, explorámos o tema « Estrelas de grande massa: supergigantes e supernovas de colapso do núcleo». Aqui, acompanharemos o remanescente compacto e as pistas fornecidas pela sua radiação.
Como se forma uma estrela de neutrões?
Durante o colapso do núcleo de uma estrela de grande massa, os núcleos atómicos e os protões livres capturam eletrões, aumentando a proporção de neutrões na matéria e formando neutrinos. O colapso da região central demora uma fração de segundo. A densidades muito elevadas, a matéria resiste a uma compressão adicional, podendo formar-se uma estrela protoneutrónica quente.[1]
Este objeto recém-nascido evolui à medida que perde calor e os neutrinos que contém. A pressão resultante de fenómenos da física quântica e da interação nuclear forte pode sustentar uma estrela de neutrões durante muito tempo, se a massa do remanescente não ultrapassar o limite permitido para o seu estado específico.[2]
Nem sempre é necessário haver um núcleo de ferro: algumas estrelas de neutrões formam-se quando núcleos de oxigénio e néon colapsam devido à captura eletrónica. Além disso, o colapso não começa quando o núcleo atinge uma única massa universal. A composição e a estrutura da estrela moribunda são importantes.[1]
Massa
1,4 massas solaresUm exemplo típico, não uma massa comum a todas as estrelas de neutrões.
Diâmetro
24 kmEste exemplo utiliza um raio de 12 km. Não se deve confundir o raio com o diâmetro.
Densidade média normalmente calculada
3,8 × 1014 g/cm3Calculada a partir da massa e do volume da esfera indicados no exemplo; a densidade é maior no centro.
Estes são valores ilustrativos, não medições de uma estrela específica identificada. A massa, o raio e a densidade de uma estrela de neutrões estão relacionados pelas leis da física da matéria densa.[3]
Qual poderá ser a massa máxima de uma estrela de neutrões?
As observações confirmam a existência de estrelas de neutrões com uma massa equivalente a cerca de duas massas solares . Um modelo adequado da sua estrutura interna tem de permitir a existência de estrelas com uma massa pelo menos igual a estes valores medidos; as observações não estabelecem uma única massa máxima exata.[4]
A expressão frequentemente utilizada massa máxima TOV designa o limite de massa de uma estrela de neutrões fria e não rotativa, segundo uma determinada equação de estado. A rotação pode permitir que a estrela sustente uma massa maior. Um remanescente quente e em rápida evolução exige modelação adicional, pelo que «2,2 massas solares» não deve ser considerado um limite universal entre estrelas de neutrões e buracos negros.[5]
O que existe no interior de uma estrela de neutrões?
Uma estrela de neutrões não é uma esfera homogénea de neutrões. As condições físicas diferem muito nas suas camadas externas e nas profundezas. O esquema seguinte é um ponto de partida útil para descrever uma estrela madura, mas persistem incertezas importantes à medida que nos aproximamos do centro.[2], [6], [7]
Crosta externa
Os núcleos atómicos formam uma rede sólida rodeada por eletrões. A densidade aumenta com a profundidade, mas a crosta não é mais densa do que o núcleo atómico em toda a sua extensão.[6]
Crosta interna
Começam a surgir neutrões fora dos núcleos atómicos individuais. Esta região contém aglomerados nucleares, estes neutrões não ligados e eletrões.[6]
Núcleo externo
Nos modelos habituais, a maior parte da matéria é constituída por neutrões; também há protões, eletrões e, em condições adequadas, muões. A composição da matéria é mais variada do que o nome sugere.[7]
A região mais profunda do interior
Também podem existir componentes ou fases ainda mais invulgares, como hiperões ou quarks não ligados em hadrões. Os cientistas investigam se estão presentes.[7]
Perto da base da crosta, os modelos podem prever estruturas nucleares alongadas ou em forma de folha, apelidadas de massa nuclear. São possibilidades previstas, não uma camada confirmada em todas as estrelas de neutrões. A história de acreção também pode alterar a composição da crosta.[6]
Porque é que um pulsar parece piscar?
Detetamos uma estrela de neutrões como pulsar quando, à medida que roda, um padrão de emissão repetitivo atravessa a nossa linha de visão. O conhecido modelo do farol ilustra-o com um eixo magnético inclinado em relação ao eixo de rotação e feixes de rádio associados às regiões dos polos magnéticos.[8], [9]
A cada impulso, a luminosidade total da estrela não se acende nem se apaga. O padrão repete-se à medida que ela roda, e o perfil pode ter mais do que um pico por rotação. Se a nossa linha de visão não atravessar a emissão correspondente, podemos não detetar essa estrela de neutrões como pulsar nessa banda de ondas.[8], [9]
A rádio, os raios X e os raios gama exigem representações diferentes
A magnetosfera de uma estrela é a região à sua volta onde o seu campo magnético controla o movimento das partículas eletricamente carregadas. O seu plasma pode emitir de várias formas e em diferentes locais. Os impulsos de alta energia podem ter origem longe da superfície, incluindo nas folhas de corrente perto do cilindro de luz ou para lá dele; este cilindro marca a distância ao eixo em que a rotação conjunta rígida exigiria a velocidade da luz.
Assim, feixes estreitos e uniformes de holofote não são um modelo adequado para todos os comprimentos de onda. O mecanismo detalhado da emissão de rádio coerente também ainda não é totalmente compreendido.[9]
Campos magnéticos intensos desempenham aqui um papel fundamental. A sua origem e evolução envolvem mais do que a compressão: podem ser importantes a amplificação do campo na estrela recém-nascida, a evolução interna e a história de acreção. Os campos inferidos a partir do abrandamento da rotação descrevem uma componente de grande escala dependente do modelo, não o campo total em cada ponto.[8], [11]
Como referência: os campos dipolares inferidos dos pulsares de rádio comuns atingem frequentemente cerca de 1012 gauss, enquanto os pulsares de milissegundo que voltaram a acelerar têm geralmente cerca de 108–109 gauss. Um gauss equivale a 10−4 teslas. Estes são valores típicos, não limites de classificação rígidos.[8], [10]
O que alimenta a emissão?
Um sinal pulsado mostra que o brilho varia regularmente. Para compreendermos o objeto, ainda temos de perguntar de onde vem a sua energia. A deteção na banda dos raios X ou das ondas de rádio não responde, por si só, a esta pergunta.[8]
| Fonte de energia | O que fornece a energia? | Exemplo útil ou distinção |
|---|---|---|
| Rotação | A estrela perde energia de rotação devido aos momentos de força eletromagnéticos e aos fluxos de partículas que escapam. | Os pulsares alimentados pela energia de rotação podem emitir em várias bandas de comprimento de onda. |
| Acreção | A queda de gás liberta energia gravitacional. | A acreção canalizada pelo campo magnético pode criar regiões emissoras de raios X em rotação. |
| Evolução do campo magnético | A energia magnética acumulada é dissipada. | Esta é a principal fonte de energia da atividade e das erupções dos magnetares. |
| Calor acumulado | A estrela arrefece e emite radiação a partir da sua superfície. | As pulsações da emissão térmica de raios X podem resultar de uma temperatura superficial desigual. |
São fontes de energia, não categorias mutuamente exclusivas de objetos inteiros. A radiação de uma estrela de neutrões pode incluir mais do que uma componente.[8], [11]
À medida que a rotação abranda, a energia de rotação vai diminuindo
Um núcleo em contração pode rodar mais depressa, à medida que a sua massa se aproxima do eixo de rotação. A transferência e as perdas de momento angular determinam quanta rotação a estrela de neutrões herda. A sua rotação posterior reflete tanto as condições do nascimento como a evolução subsequente.[8]
Um pulsar isolado, cuja radiação é alimentada pela energia de rotação, tende geralmente a ter um período de rotação cada vez mais longo: cada rotação completa demora mais tempo. Medindo o período P e a sua taxa de variação Ṗ, os astrónomos podem estimar a evolução da estrela.[10]
A rotação pode ajudar a determinar a idade de uma estrela?
τc = P / (2Ṗ)
Devido ao momento de força variável, a um período de rotação inicial bastante longo ou à variação aparente do período causada pelo movimento da estrela, esta estimativa pode diferir muito da idade real. A idade característica é uma indicação baseada num modelo, especialmente após um «rejuvenescimento», e não uma certidão de nascimento independente.[22]
Os saltos de rotação mostram que podem ocorrer trocas de momento angular no interior da estrela
Alguns pulsares começam subitamente a rodar um pouco mais depressa; esse evento chama-se salto de rotação. Segundo uma das principais explicações, um fluido de neutrões superfluido que roda mais depressa no interior da estrela transfere momento angular para a crosta e outros componentes acoplados a ela. O mecanismo que provoca o salto, as regiões envolvidas e a recuperação posterior continuam a ser estudados.[12]
Os modelos também preveem condições em que pode cessar a produção de pares de partículas que sustenta a emissão de rádio. A chamada linha da morte é frequentemente representada como uma referência teórica, não como um limite rígido e universal ou uma garantia de que toda a outra emissão também desaparece.[23]
Como são «rejuvenescidos» os pulsares de milissegundos?
Uma estrela de neutrões num sistema binário compacto pode acumular matéria da sua companheira. Devido ao profundo potencial gravitacional, a queda dessa matéria é uma fonte eficaz de radiação. Consoante o sistema, o gás pode chegar através de um disco ou do vento da companheira.[8]
Se o campo magnético canalizar o fluxo para pequenas regiões da superfície, a rotação pode fazer com que estas regiões brilhantes fiquem periodicamente voltadas para nós, provocando impulsos de raios X. Noutras estrelas de neutrões em acreção, não se observam pulsações persistentes facilmente detetáveis.[8]
A acreção pode acelerar a rotação da estrela
A transferência prolongada de matéria através de um disco pode acelerar a rotação de uma estrela de neutrões mais velha. Após a fase de acreção, pode ser observada como um pulsar de rotação rápida, cuja emissão é sustentada pela energia de rotação.[10]
Apenas alguns milissegundos por rotação
Um período de 5 milissegundos significa 200 rotações por segundo. Muitos pulsares de milissegundos adquiriram a sua rotação rápida através de um processo de «rejuvenescimento»; de certeza que nem todos são estrelas recém-nascidas.[8], [10]
A companheira atual nem sempre revela toda a história. Alguns pulsares reciclados orbitam anãs brancas; outros ficam sozinhos após uma evolução binária ou interações posteriores. O ritmo de muitos impulsos é extremamente estável ao longo de observações prolongadas, embora não seja completamente isento de ruído.[10]
Como utilizam os astrónomos os pulsares para testar a gravidade?
Um modelo temporal prevê quando os impulsos deverão chegar ao telescópio. Inclui a rotação, a posição e o movimento da estrela, uma possível órbita binária e a propagação através do plasma interestelar. As diferenças entre os tempos de chegada medidos e previstos chamam-se resíduos dos tempos de chegada dos impulsos.[8], [10]
Rastreio da órbita
O movimento orbital do pulsar altera a distância percorrida pelos seus sinais. O padrão resultante revela a presença de companheiras, incluindo objetos que emitem muito pouca luz.[8]
A órbita do pulsar binário de Hulse e Taylor, PSR B1913+16, foi diminuindo gradualmente, fornecendo provas da emissão de ondas gravitacionais. As medições a longo prazo, após as devidas correções do movimento, são compatíveis com a perda de energia prevista pela teoria da relatividade geral.[14]
O pulsar duplo PSR J0737−3039A/B permite estudar vários efeitos relativistas num único sistema. Uma análise de 2021 utilizou 16 anos de observações para realizar testes rigorosos da gravidade na presença de corpos com forte autogravitação.[15]
Uma matriz de relógios à escala da galáxia
Uma matriz de temporização de pulsares compara os tempos precisos dos impulsos de muitos pulsares de milissegundos. As ondas gravitacionais que se propagam entre estas estrelas e a Terra podem deixar variações temporais correlacionadas em diferentes zonas do céu.
Em 2023, o NANOGrav anunciou provas de correlações compatíveis com o padrão de Hellings e Downs , previsto para o fundo de ondas gravitacionais. O padrão depende da separação angular entre os pulsares e ajuda a distingui-lo do ruído não correlacionado.[16]
Estas medições investigam ondas de frequência de nano-hertz, com períodos muito longos. Uma das principais explicações para o sinal é uma população de sistemas binários de buracos negros supermassivos, mas, por si só, a correlação não identifica a fonte de forma inequívoca. Neste caso, as estrelas de neutrões servem de relógios para detetar ondas criadas noutro local.[16]
O que revelam os raios X e as fusões de estrelas de neutrões?
A curvatura da luz ajuda a estabelecer limites para o tamanho da estrela
A gravidade intensa curva a luz que deixa a superfície de uma estrela de neutrões. À medida que as regiões quentes entram e saem do campo de visão durante a rotação, esta curvatura altera o perfil observado do impulso de raios X. A massa da estrela, o raio, a velocidade de rotação, a geometria de observação e a emissão da superfície influenciam o padrão.
Os investigadores utilizaram observações do NICER para ajustar modelos físicos a estes perfis e estabelecer limites para as massas e os raios. É necessário modelar cuidadosamente a emissão da atmosfera, a radiação de fundo e a geometria das regiões quentes. O resultado é uma inferência com incertezas, e não uma imagem direta da superfície.[17]
Por exemplo, as análises do pulsar massivo PSR J0740+6620 combinam dados de raios X com informação sobre a temporização dos impulsos de rádio. Estas medições testam se as equações de estado propostas permitem a existência de estrelas com a combinação de massa e dimensão observada.[4]
GW170817 ligou a gravidade à luz
Após a espiral de aproximação de um sistema binário de estrelas de neutrões, ao sinal de ondas gravitacionais seguiu-se um breve surto de raios gama e uma fonte transitória no ótico e no infravermelho, denominada kilonova. Posteriormente, os observatórios acompanharam a fonte em todo o espetro eletromagnético.[18]
A luz da kilonova foi emitida pela matéria ejectada em expansão, aquecida pelo decaimento radioativo. Na matéria rica em neutrões expelida durante a fusão, podem ter-se formado núcleos mais pesados através da captura rápida de neutrões, num processo designado por processo r.[19]
Uma análise posterior detetou estrôncio nos espectros, fornecendo provas de que o material associado à fusão contém produtos da captura de neutrões. A identificação de uma única assinatura espectral não é suficiente para determinar a abundância de todos os elementos pesados.[20]
Um sinal de ondas gravitacionais pode ajudar a determinar a facilidade com que as estrelas se deformam sob a influência da gravidade uma da outra. Os efeitos da fusão também dependem das suas massas e da equação de estado: o remanescente pode colapsar imediatamente para um buraco negro ou permanecer como estrela de neutrões durante algum tempo. As observações de GW170817 não forneceram uma imagem direta e inequívoca do remanescente final.[3], [19]
Como é que uma estrela de neutrões afeta o seu ambiente?
Um pulsar alimentado pela energia de rotação pode emitir um vento relativista de partículas e energia eletromagnética. Quando o ambiente contém este fluxo, pode inflar uma nebulosa de vento de pulsar. Um exemplo bem conhecido é a Nebulosa do Caranguejo.
Ao deslocarem-se em campos magnéticos, as partículas de alta energia emitem radiação, dando origem à radiação sincrotrónica. Também podem aumentar a energia dos fotões de menor energia através da dispersão de Compton inversa. Assim, a nebulosa revela como a energia da estrela em rotação alcança um volume de espaço muito maior.[21]
A nebulosa de vento de pulsar é diferente da matéria ejectada em expansão e do gás afetado pela onda de choque que constituem o remanescente da supernova original, embora estas estruturas possam interagir. Não é uma fase especial que só começa quando o pulsar deixa de emitir impulsos de rádio. A sua evolução depende do vento, do remanescente da supernova circundante e do movimento do pulsar.[21]
O que falta ainda compreender?
Matéria nas profundezas
Que partículas e fases existem nas regiões centrais e como determinam a pressão e a massa máxima?[2], [7]
Emissão rádio
Como é que o plasma da magnetosfera se organiza de modo a produzir os impulsos coerentes observados e a variação das suas formas?[9]
Rotação variável
O que provoca saltos súbitos na frequência de rotação e até que ponto estão interligados os diferentes componentes internos de uma estrela?[12]
Cada observação permite testar uma parte diferente do mesmo objeto. As medições dos tempos de chegada dos impulsos permitem acompanhar a sua rotação e movimento; os espetros e os perfis dos impulsos ajudam a definir os parâmetros da sua radiação; as fusões permitem estudar a sua resposta à gravidade extrema. Em conjunto, estas observações permitem aos astrónomos estudar a matéria em condições muito além das que podem ser alcançadas em laboratório.[3]
Os impulsos transmitem mais do que ritmo.
Nas estrelas de neutrões persiste matéria densa, remanescente do colapso estelar. Quando a sua radiação atravessa periodicamente a nossa linha de visão, este ritmo torna-se uma forma de estudar o interior da estrela, os seus companheiros e o espaço-tempo entre ela e a Terra.
Saiba mais sobre o que acontece quando a energia magnética assume um papel central no artigo «Magnetares: campos magnéticos extremamente fortes».
Fontes e leitura complementar
Artigos científicos e revisões elaboradas pelos autores. Os diagramas são esquemáticos; o exemplo de massa, tamanho e densidade destina-se a fins ilustrativos. O texto distingue as conclusões baseadas em observações dos aspetos ainda pouco conhecidos da física do interior das estrelas.
- Burrows (2013) — Colóquio: perspetivas sobre a teoria das supernovas de colapso do núcleoInstabilidade do núcleo, neutronização, ressalto e formação de um remanescente compacto e quente.
- Lattimer e Prakash (2016) — Equação de estado da matéria quente e densa e estrelas de neutrõesPressão, composição e estabilidade da matéria estelar densa.
- Lattimer (2021) — Estrelas de neutrões e a equação de estado da matéria nuclearComo as massas, os raios e as observações das estrelas de neutrões definem os limites do comportamento da matéria nuclear.
- Dittmann et al. (2024) — Medição mais precisa do raio de PSR J0740+6620 com dados NICER atualizadosEstudo da massa e do raio de uma estrela de neutrões cuja massa medida é aproximadamente igual a duas massas solares.
- Breu e Rezzolla (2016) — Massa máxima, momento de inércia e compacticidade das estrelas relativistasA diferença entre a massa máxima de uma estrela não rotativa e o suporte proporcionado pela rotação.
- Chamel e Haensel (2008) — Física da crosta das estrelas de neutrõesCrosta externa e interna, emissão de neutrões, massa nuclear e efeitos da acreção.
- Baym et al. (2018) — Dos hadrões aos quarks nas estrelas de neutrões: uma revisãoMatéria nuclear comum, possíveis fases da matéria nas camadas mais profundas e incertezas no núcleo interno.
- Kaspi e Kramer (preprint de 2016) — Pulsares de rádio: população de estrelas de neutrões e física fundamentalPopulações de pulsares, fontes de energia, evolução de sistemas binários e aplicações de medições precisas dos tempos de chegada dos impulsos.
- Philippov e Kramer (2022) — Magnetosferas dos pulsares e a sua emissãoPlasma, regiões de emissão de rádio e de alta energia e questões por resolver sobre a emissão dos pulsares.
- Lorimer (2008) — Pulsares binários e pulsares de milissegundoReciclagem, abrandamento da rotação, idades características e interpretação das medições dos tempos de chegada dos impulsos dos pulsares.
- Kaspi e Beloborodov (2017) — MagnetarsEnergia magnética, evolução do campo e relação dos magnetars com outras estrelas de neutrões.
- Haskell e Melatos (2015) — Modelos de saltos de rotação dos pulsaresAlterações súbitas da rotação e modelos que envolvem a transferência de momento angular de um fluido superfluido no interior.
- Galloway e Keek (2021) — Explosões termonucleares de raios XCombustão instável do combustível acumulado por acreção nas superfícies das estrelas de neutrões; preprint publicado pela primeira vez em 2017.
- Weisberg e Huang (2016) — Medições relativistas a partir dos tempos de chegada dos impulsos do pulsar binário PSR B1913+16Decaimento orbital e outras medições relativistas no sistema binário de pulsares de Hulse–Taylor.
- Kramer et al. (2021) — Testes da gravidade em campo forte com o pulsar duploTestes precisos da gravidade relativista com o PSR J0737−3039A/B.
- Agazie et al. / NANOGrav (2023) — Conjunto de dados de 15 anos da NANOGrav: evidências de um fundo de ondas gravitacionaisVariações correlacionadas nos tempos de chegada dos impulsos dos pulsares, cuja dependência angular corresponde à dependência prevista para um fundo de ondas gravitacionais.
- Bogdanov et al. (2021) — Restringir a relação entre a massa e o raio das estrelas de neutrões e a equação de estado da matéria densa com o NICER. III. Descrição do modelo e validação dos programas de estimativa de parâmetrosComo os modelos dos perfis de pulsação em raios X restringem os valores possíveis da massa e do raio e como esses modelos são validados.
- Abbott et al. (2017) — Observações multimensageiras da fusão de um sistema binário de estrelas de neutrõesObservações de ondas gravitacionais e radiação eletromagnética associadas à GW170817.
- Metzger (2019) — KilonovasAquecimento do material ejetado na fusão devido ao decaimento radioativo, evolução da luz da kilonova e ligações à matéria densa.
- Watson et al. (2019) — Identificação de estrôncio na fusão de duas estrelas de neutrõesProvas espectroscópicas de material recém-formado por captura de neutrões na kilonova GW170817.
- Gaensler e Slane (2006) — Evolução e estrutura das nebulosas de vento de pulsarVentos relativistas, emissão de sincrotrão e de Compton inverso, e a nebulosa em evolução em torno do pulsar.
- Kızıltan e Thorsett (2010) — A idade dos pulsares de milissegundos: implicações da evolução de sistemas binários e do limite máximo da velocidade de rotaçãoPorque as idades características, determinadas a partir do abrandamento da rotação, podem diferir muito da idade real, sobretudo após a reciclagem do pulsar.
- Beskin e Istomin (2022) — Uma nova perspetiva sobre a linha de morte dos pulsares — II. «Vale da morte»Dependência do modelo dos limites associados à formação de pares e à emissão de rádio.
Todos os artigos desta secção
- Nuvens moleculares e protoestrelas
- Estrelas da sequência principal: fusão do hidrogénio
- Vias das reações de fusão nuclear
- Estrelas de pequena massa: gigantes vermelhas e anãs brancas
- Estrelas de grande massa: supergigantes e supernovas de colapso do núcleo
- Estrelas de neutrões e pulsares — está aqui
- Magnetares: campos magnéticos extremos
- Buracos negros estelares
- Nucleossíntese: elementos mais pesados do que o ferro
- Estrelas binárias e fenómenos exóticos