Pesquisadores espanhóis usaram raios X para encontrar estrelas de nêutrons relativamente frias. Correspondência entre as taxas de resfriamento e sua equação de estado pode ajudar cientistas com teoria quântica da gravidade.
Cientistas descobriram que três estrelas de nêutrons, astros nascidos a partir de outras estrelas que explodiram, esfriaram de forma surpreendentemente rápida. Isso pode nos aproximar da compreensão da natureza exótica da matéria dentro dos núcleos desses objetos extremos.
A descoberta foi feita por uma equipe espanhola liderada por Alessio Marino, do Instituto de Ciências Espaciais, em Barcelona, usando telescópios espaciais sensíveis a raios X – o XMM-Newton, da Agência Espacial Europeia (ESA), e o Observatório de Raios X Chandra, da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA). As descobertas estão descritas em um artigo publicado em 20 de junho na revista Nature Astronomy.
Uma estrela de nêutrons é o núcleo colapsado de uma estrela maciça que se transformou em supernova e pode conter até quase três vezes a massa do nosso sol em um volume esférico de apenas 11 km de diâmetro. Toda essa matéria compactada em uma área tão pequena coloca esses astros entre as concentrações mais densas de matéria no universo conhecido, perdendo apenas para os buracos negros. Para uma comparação mais “leiga”, considere que uma colher de sopa do material de uma estrela de nêutrons teria a massa do Monte Everest.
Por sua natureza extrema, a física que governa o interior dessas estrelas permanece obscura. Esses objetos são chamados de estrelas de nêutrons porque sua matéria foi esmagada a tal ponto que os elétrons, carregados negativamente, e os prótons, com carga positiva, são “esmagados”, superando a força eletrostática entre eles para formar um objeto cheio apenas de nêutrons, neutros.
Mais profundamente no núcleo de uma estrela de nêutrons, a matéria pode ser comprimida em um grau ainda maior, formando partículas exóticas nunca vistas, como os hipotéticos híperons. Talvez, os próprios nêutrons possam se separar nesse ambiente, criando uma sopa das partículas mais fundamentais do universo: os quarks.
O que acontece dentro de uma estrela de nêutrons é regido pela equação de estado da estrela de nêutrons. Pense nela como um manual que determina a estrutura interna e a composição dessa estrela com base em fatores como massa, temperatura e campo magnético. O problema é que os cientistas têm literalmente centenas de opções para essa equação de estado. Como não podemos reproduzir na Terra as condições no interior de uma estrela de nêutrons, testar qual modelo é o correto depende muito de combiná-los com as observações.
Estrelas frias Agora, porém, a descoberta de três estrelas de nêutrons com temperaturas de superfície substancialmente mais baixas em comparação a outras de idade semelhante permitiu que pesquisadores descartassem três quartos dos modelos possíveis.
Duas das estrelas de nêutrons são pulsares: giram rapidamente e disparam feixes de jatos de rádio em nossa direção. A outra, no remanescente de supernova Vela Jr, não apresenta comportamento de pulsar, mas isso pode ser apenas porque seus feixes de rádio não apontam em nossa direção.
“A excelente sensibilidade do XMM-Newton e do Chandra tornou possível não apenas detectar essas estrelas de nêutrons, mas também coletar luz suficiente para determinar suas temperaturas e outras propriedades”, disse Camille Diez, cientista do XMM-Newton na ESA, em um comunicado.
Quanto mais quente é uma estrela de nêutrons, mais energéticos são seus raios X. A energia dos raios X desses três objetos nos diz que são bem frios comparados a outras estrelas de nêutrons. Suas temperaturas que variam de 1,9 a 4,6 milhões °C. Para suas idades jovens, de 840 anos a 7.700 anos (estimados com base no tamanho e na velocidade de expansão dos remanescentes de supernovas ao seu redor), são considerados excepcionalmente frios. Estrelas de nêutrons nascem com temperaturas de centenas de bilhões ou até mesmo de um trilhão de graus e, embora esfriem, outras estrelas de nêutrons de idades semelhantes têm temperaturas pelo menos duas vezes mais altas.
Estrelas de nêutrons podem se resfriar por meio de dois mecanismos. Um deles é a radiação térmica de suas superfícies, que permite que a energia térmica escape para o espaço. O outro é a emissão de neutrinos, que “rouba” a energia do núcleo da estrela. Acreditasse que o segundo mecanismo seja responsável pelo resfriamento rápido desse trio em particular.
Entretanto, a rapidez com que as estrelas de nêutrons podem esfriar como resultado desses mecanismos depende da equação de estado.
Modelos de equações “A idade jovem e a temperatura fria da superfície dessas três estrelas de nêutrons só podem ser explicadas invocando-se um mecanismo de resfriamento rápido”, Nanda Rea, do Instituto de Ciências Espaciais e do Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha, no comunicado. “Como o resfriamento aprimorado pode ser ativado apenas por determinadas equações de estado, isso nos permite excluir uma parte significativa dos modelos possíveis.”
A equipe estima que três quartos de todos os modelos possíveis podem ser desconsiderados após esse resultado. Os pesquisadores conseguiram determinar isso calculando as curvas de resfriamento, gráficos que mostram como as estrelas de nêutrons se resfriam em relação ao tempo. O formato da curva depende muito das propriedades das estrelas de nêutrons, como a massa e a força do campo magnético.
Usando machine learning, a equipe calculou a gama de parâmetros que melhor descrevem cada curva de resfriamento e, em seguida, combinou esses parâmetros com possíveis equações de estado, verificando quais correspondiam e quais poderiam ser descartados.
Esse processo reduziu a gama de possíveis equações de estado, mas as descobertas vão além. O comportamento da matéria em escalas subatômicas sob pressão intensa, temperatura extrema e gravidade esmagadora também introduz efeitos quânticos. Atualmente, cientistas não dispõem de uma teoria quântica da gravidade e uma equação de estado para as estrelas de nêutrons poderia nos colocar no caminho para reunir os efeitos quânticos e a física de alta gravidade em uma única teoria.