Cientistas pesaram uma estrela de nêutrons para vislumbrar a estranha física por dentro: WebCuriosos

As estrelas de nêutrons são alguns dos objetos mais extremos do universo. Formadas a partir dos núcleos colapsados ​​de estrelas supergigantes, pesam mais que o nosso Sol e, ainda assim, estão comprimidas numa esfera do tamanho de uma cidade.

Os núcleos densos destas estrelas exóticas contêm matéria comprimida em estados únicos que não podemos replicar e estudar na Terra. É por isso que a NASA tem a missão de estudar estrelas de nêutrons e aprender sobre a física que rege a matéria dentro delas.

Meus colegas e eu os temos ajudado. Usámos sinais de rádio de uma estrela de neutrões de rotação rápida para medir a sua massa. Isto permitiu aos cientistas que trabalhavam com dados da NASA medir o raio da estrela, o que por sua vez nos deu a informação mais precisa sobre a estranha matéria no seu interior.

O que há dentro de uma estrela de nêutrons?

A matéria no núcleo das estrelas de nêutrons é ainda mais densa que o núcleo de um átomo. Sendo a forma de matéria estável mais densa do Universo, está comprimida até ao seu limite e à beira do colapso num buraco negro.

Compreender como a matéria se comporta nessas condições é um teste fundamental para nossas teorias da física fundamental.

da NASA Missão Interior Composition ExploreR (NICER) da estrela de nêutrons está tentando resolver os mistérios deste assunto extremo.

NICER é um telescópio de raios X na Estação Espacial Internacional. Ele detecta raios X provenientes de pontos quentes na superfície de estrelas de nêutrons, onde as temperaturas podem atingir milhões de graus.

Os cientistas modelam o tempo e as energias destes raios X para mapear os pontos quentes e determinar a massa e o tamanho das estrelas de neutrões.

Saber como os tamanhos das estrelas de nêutrons se relacionam com suas massas revelará a “equação de estado” da matéria em seus núcleos. Isto diz aos cientistas quão macia ou dura – quão “comprimível” – é a estrela de neutrões e, portanto, de que é feita.

Uma equação de estado mais suave sugeriria que os nêutrons no núcleo estão se desintegrando em uma sopa exótica de partículas menores. Uma equação de estado mais difícil pode significar que os nêutrons resistem, levando a estrelas de nêutrons maiores.

A equação de estado também determina como e quando as estrelas de nêutrons são destruídas quando colidir.

Resolvendo o mistério com uma estrela de nêutrons vizinha

Um dos alvos principais do NICER é uma estrela de nêutrons chamada PSR J0437-4715, que é o pulsar de milissegundos mais próximo e mais brilhante.

Para pressionar é uma estrela de nêutrons que emite feixes de ondas de rádio que observamos como um pulso toda vez que a estrela de nêutrons gira.

Este pulsar em particular gira 173 vezes por segundo (tão rápido quanto um liquidificador). Temos observado isso há quase 30 anos com MurriyangRadiotelescópio Parkes da CSIRO em Nova Gales do Sul.

A equipe que trabalha com dados do NICER enfrentou um desafio para este pulsar. Os raios X vindos de uma galáxia próxima tornaram difícil modelar com precisão os pontos quentes na superfície da estrela de nêutrons.

Felizmente, conseguimos usar ondas de rádio para encontrar uma medição independente da massa do pulsar. Sem esta informação crucial, a equipe não teria recuperado a massa correta.

Pesar uma estrela de nêutrons é uma questão de tempo

Para medir a massa da estrela de nêutrons, contamos com um efeito descrito pela teoria da relatividade geral de Einstein, chamado atraso de Shapiro.

Objetos massivos e densos como pulsares – e neste caso a sua estrela companheira, uma anã branca – distorcem o espaço e o tempo. O pulsar e este companheiro orbitam um ao outro uma vez a cada 5,74 dias.

Quando os pulsos do pulsar viajam até nós através do espaço-tempo comprimido que circunda a anã branca, eles são atrasados ​​em microssegundos.

Esses atrasos de microssegundos são fáceis de medir com Murriyang de pulsares como o PSR J0437-4715. Este pulsar, e outros pulsares de milissegundos semelhantes, são observados regularmente pelo Matriz de temporização do pulsar de Parkes projeto, que usa esses pulsares para detectar ondas gravitacionais.

Como o PSR J0437-4715 está relativamente próximo de nós, a sua órbita parece oscilar ligeiramente do nosso ponto de vista à medida que a Terra se move em torno do Sol. Essa oscilação nos dá mais detalhes sobre a geometria da órbita. Usamos isso junto com o atraso de Shapiro para encontrar as massas da companheira anã branca e do pulsar.

A massa e tamanho do PSR J0437-4715

Nós calculamos que a massa deste pulsar é típica de uma estrela de nêutrons, 1,42 vezes a massa do nosso Sol. Isso é importante porque o tamanho deste pulsar também deveria ser o tamanho de uma estrela de nêutrons típica.

Os cientistas que trabalharam com os dados do NICER foram então capazes de determinar a geometria dos pontos quentes de raios X e calcular que o raio da estrela de nêutrons é de 11,4 quilômetros. Estes resultados dão a ponto de ancoragem mais preciso ainda encontrado para a equação de estado da estrela de nêutrons em densidades intermediárias.

Nossa nova imagem já exclui as equações de estado das estrelas de nêutrons mais suaves e mais duras. Os cientistas continuarão a descodificar exactamente o que isto significa para a presença de matéria exótica nos núcleos internos das estrelas de neutrões.

As teorias sugerem que este assunto pode incluir quarks que escaparam de suas casas normais dentro de partículas maiores, ou partículas raras conhecidas como hiperons.

Estes novos dados contribuem para um modelo emergente de interiores de estrelas de nêutrons que também foi informado por observações de ondas gravitacionais da colisão de estrelas de nêutrons e uma explosão associada chamada quilonova.

Murriyang tem uma longa história de assistência em missões da NASA e foi notoriamente usado como o principal receptor de imagens para a maior parte do moonwalk da Apollo 11.

Agora, utilizámos este telescópio icónico para “avaliar” a física do interior das estrelas de neutrões, avançando a nossa compreensão fundamental do Universo.

Daniel ReardonPesquisador de pós-doutorado em cronometragem de pulsares e ondas gravitacionais, Universidade de Tecnologia de Swinburne

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.