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Estrelas de nêutrons e “pasta” nuclear

Estágios de evolução das estrelas são comparados a pratos da cozinha italiana

Jennifer Ouellette
Indiana University/APS
Assim como buracos negros, estrelas de nêutrons são o resultado de estrelas colapsando sob a gravidade quando seu combustível se esgota, até que sua densidade seja aproximadamente a mesma que a do núcleo de um átomo, e nesse ponto os prótons e elétrons se “desmancham” em nêutrons puros. Mas que densidade é essa? Se você tivesse um pedaço de uma estrela de nêutrons com o tamanho de um cubo de açúcar, ele pesaria incríveis 100 milhões de toneladas. Apenas buracos negros são mais densos que isso.

Alguns cientistas suspeitam que algo semelhante a um plasma quark-glúon pode estar no núcleo mais interno dessas estrelas, enquanto a matéria mais convencional compõe suas regiões externas. Entre as duas, na composição da crosta, há um raro estado de matéria degenerada conhecido como “pasta nuclear” (feito não apenas de nêutrons, mas também de prótons e elétrons). E as várias formas assumidas pela “pasta” representam uma série de transições de fase que ocorrem enquanto essa camada limítrofe vai de granulosa a lisa.

Em uma conferência de imprensa durante a reunião de abril da American Physical Society que aconteceu no último fim de semana em Baltimore, Maryland, o aluno de pós-graduação da Indiana University, Matt Caplan, deu uma ideia geral do trabalho que acontece no laboratório de Charles Horowitz, rodando intrincadas simulações de computador de vários tipos de pasta nuclear para calcular suas respectivas propriedades, com a esperança de descobrir mais sobre a evolução de estrelas de nêutrons. Tudo tem que ser simulado, porque as raras condições necessárias para a formação da pasta só podem ser encontradas no núcleo de estrelas de nêutrons.

A noção de pasta nuclear surgiu há alguns anos como uma possível explicação para o comportamento incomum de certos tipos de estrelas de nêutrons. Elas inicialmente giram em velocidade – até várias rotações por segundo – e desaceleram gradualmente ao longo do tempo conforme a energia se dissipa. Mas a variedade “pulsar de raios-X” (a mais brilhante e, portanto, mais fácil de localizar) acabou atingindo um estado regular, completando uma rotação a cada 12 segundos, mais ou menos. Em teoria, deveria haver alguns pulsares de raios-X com taxas de giro mais lentas – ou uma boa razão para isso não acontecer.

Em 2013, uma equipe de cientistas da Universidade de Alicante, na Espanha, propôs que a diferença se devia à crosta da superfície de uma estrela ser granulosa ou lisa, com base em uma série de simulações computadorizadas que investigavam diferentes configurações de crosta. Estrelas com crostas granulosas desacelerariam assim mesmo, mas dentro de apenas 100 mil anos – um piscar de olhos no tempo de vida estelar – elas assumiriam um estado regular, de uma rotação a cada 10 ou 20 segundos, durante o milhão de anos seguinte. Isso não acontecia em estrelas com crostas mais lisas; elas simplesmente continuavam girando cada vez mais lentamente – até atingirem uma rotação a cada 100 segundos.

E o que torna uma crosta granulosa em vez de lisa? Cientistas espanhóis propõem que crostas granulosas são cheias de pasta nuclear. De acordo com a New Scientist: “Como estrelas de nêutrons são muito densas, núcleos atômicos ficam bastante comprimidos na crosta. Nesses núcleos compactados, as partículas poderiam ser forçadas em agrupamentos exóticos que lembram espaguete, macarrão e camadas de lasanha. Misturar essas formas poderia deixar a crosta mais granulosa se comparada a uma que só contenha núcleos regulares organizados em cristais ordenados”. 

Os vários tipos de pasta representam estágios diferentes em um processo de transição de fase. A saber:

Fase do Nhoque: Essa é uma fase semi-esférica que lembra aqueles bolinhos de batata que talvez não sejam tecnicamente pasta, mas chegam perto o bastante.

Fase do Espaguete: Em algum momento, conforme a compressão continua a se intensificar, simplesmente não existe repulsão elétrica suficiente entre prótons para sustentar uma forma esférica, então a fase do nhoque é esmagada em longas faixas semelhantes a espaguete.

Fase da Lasanha: Mais cedo ou mais tarde, a compressão se torna tão forte que os bastões de espaguete se fundem e formam folhas – portanto, essa é a fase da lasanha.

Fase do Penne (ou Anti-Espaguete): Nesse ponto, o núcleo externo da estrela já está bem avançado no processo de transição de fase, apresentando uma aparência mais uniforme enquanto a compressão continua, com vácuos cilíndricos intermitentes. Esse é o penúltimo estágio. Conforme o processo continua, os vácuos se tornam mais esféricos, antes de alisarem o resto da crosta.

O artigo mais recente sobre as taxas de rotação de estrelas de nêutrons e sobre como elas podem ser afetadas pela pasta nuclear apareceu na Physical Review Letters em fevereiro deste ano, adicionando mais um mistério a essa fascinante forma da matéria. Especificamente, as simulações computadorizadas mais recentes revelaram possíveis defeitos topológicos dentro de várias formas de pasta, que podem reduzir a condutividade térmica e topológica da estrela, assim fazendo com que os campos magnéticos se dissipem muito mais rapidamente que o esperado. Essas estrelas radiam menos energia para o espaço, o que estabiliza sua taxa de rotação.

A fase da lasanha, por exemplo, poderia formar imperfeições com forma de parafuso que conectassem as camadas de “lasanha”. “Há anos eu tento imaginar estrelas de nêutrons como mundos geológicos dotados de diferentes tipos de rochas, falhas e montanhas”, contou Horowitz à Space.com. “Então uma simulação de dinâmica molecular encontrou um erro – um defeito em formas de pasta regularmente perfeitas que persistiram durante um tempo muito longo”.

As simulações previram evidências para o resfriamento da crosta – um indicador de condutividade reduzida – e análises subsequentes de revelaram que, para uma estrela de nêutrons específica, essas previsões se adequam bem aos dados observacionais coletados pelo telescópio de raios-X Chandra. É provável que esse tipo de defeito topológico possa ser importante em outros aspectos incomuns de estrelas de nêutrons – e tudo isso é parte da jornada para compreender como a matéria se comporta quando comprimida à sua forma mais densa.