Objetos exóticos de resfriamento rápido reescrevem a física das estrelas de nêutrons

Observações recentes feitas pelos telescópios XMM-Newton da Agência Espacial Europeia NASAO telescópio Chandra da NASA revelou três jovens estrelas de neutrões invulgarmente frias, desafiando os modelos actuais ao mostrar que estão a arrefecer muito mais rapidamente do que o esperado.

Este resultado tem implicações significativas, sugerindo que apenas algumas das muitas propostas Estrêla de Neutróns Estes modelos são viáveis ​​e indicam a possibilidade de um avanço na ligação das teorias da relatividade geral e da mecânica quântica através de observações astrofísicas.

Descoberta de estrelas de nêutrons incomumente frias

O Observatório XMM Newton da ESA e o Observatório Chandra da NASA descobriram três jovens estrelas de neutrões que são invulgarmente frias para a sua idade. Ao comparar as suas propriedades com diferentes modelos de estrelas de neutrões, os cientistas concluíram que as baixas temperaturas das estrelas estranhas excluem cerca de 75% dos modelos conhecidos. Este é um grande passo para revelar a “equação de estado” de uma única estrela de nêutrons que governa todas elas, com implicações importantes para as leis fundamentais do universo.

Junto com os buracos negros, as estrelas de nêutrons são alguns dos objetos mais intrigantes do universo. Uma estrela de neutrões forma-se nos momentos finais da vida de uma estrela muito grande (mais de oito vezes a massa do nosso Sol), quando o combustível nuclear no seu núcleo eventualmente se esgota. Num final súbito e violento, as camadas exteriores da estrela são ejetadas com tremenda energia numa explosão de supernova, deixando para trás incríveis nuvens de material interestelar rico em poeira e metais pesados. No centro da nuvem (nebulosa), o núcleo denso da estrela se contrai para formar uma estrela de nêutrons. Um buraco negro também pode se formar quando a massa restante do núcleo é maior que cerca de três massas solares. Direitos autorais: Agência Espacial Europeia

Densidade extrema e estados desconhecidos da matéria

Depois dos buracos negros de massa estelar, as estrelas de nêutrons são os objetos mais densos do universo. Cada estrela de nêutrons é o núcleo compacto de uma estrela gigante, que permanece após a estrela explodir em uma supernova. Depois de ficar sem combustível, o núcleo da estrela entra em colapso sob a força da gravidade enquanto as suas camadas externas são lançadas para o espaço.

A matéria no centro de uma estrela de nêutrons está tão comprimida que os cientistas ainda não sabem qual é a sua forma. O nome das estrelas de nêutrons deve-se ao fato de que, sob essa enorme pressão, até os átomos entram em colapso: os elétrons se fundem com os núcleos atômicos, transformando prótons em nêutrons. Mas pode ficar ainda mais estranho: o calor e a pressão extremos podem estabilizar partículas mais exóticas que não sobrevivem noutros lugares, ou as partículas podem fundir-se numa sopa rodopiante dos seus quarks constituintes.

Numa estrela de nêutrons (esquerda), os quarks que constituem os nêutrons estão confinados dentro dos nêutrons. Numa estrela de quarks (à direita), os quarks são livres, por isso ocupam menos espaço e o diâmetro da estrela é menor. Crédito da imagem: NASA/XC/M. Weiss

O que acontece dentro de uma estrela de nêutrons é descrito pela chamada “equação de estado”, que é um modelo teórico que descreve os processos físicos que podem ocorrer dentro de uma estrela de nêutrons. O problema é que os cientistas ainda não sabem qual das centenas de possíveis modelos de equações de estado é o correto. Embora o comportamento de estrelas de nêutrons individuais possa depender de propriedades como sua massa ou a velocidade com que giram, todas as estrelas de nêutrons devem aderir à mesma equação de estado.

Implicações das observações do resfriamento de estrelas de nêutrons

Investigando dados do Observatório XMM Newton da ESA e do Observatório Chandra da NASA, os cientistas descobriram três estrelas de neutrões excepcionalmente jovens e frias que são 10 a 100 vezes mais frias do que as suas homólogas da mesma idade. Ao comparar as suas propriedades com as taxas de arrefecimento previstas por vários modelos, os investigadores concluíram que a presença destas três estrelas exóticas exclui a maioria das equações de estado propostas.

“A pouca idade e a temperatura fria da superfície destas três estrelas de neutrões só podem ser explicadas invocando um mecanismo de arrefecimento rápido, uma vez que o arrefecimento melhorado só pode ser activado por certas equações de estado, isto permite-nos descartar uma grande parte dos modelos possíveis. ”, explica a física Nanda Rhea, cujo grupo de pesquisa atua no Instituto de Ciências Espaciais (.ICE-CSIC) e o Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha (Comissão Internacional de Energia Atômica) liderou a investigação.

Unificando teorias estudando a estrela de nêutrons

A descoberta da verdadeira equação de estado da estrela de nêutrons também tem implicações importantes para as leis fundamentais do universo. Sabe-se que os físicos ainda não sabem como conectar a teoria da relatividade geral (que descreve os efeitos da gravidade em grandes escalas) com a mecânica quântica (que descreve o que acontece no nível das partículas). As estrelas de nêutrons são o melhor campo de testes para isso porque têm densidade e gravidade que excedem em muito qualquer coisa que possamos criar na Terra.

Estrelas de nêutrons são núcleos compactos de estrelas gigantes, que permanecem após a estrela explodir em uma supernova. É tão denso que a quantidade de matéria estelar de nêutrons equivalente a um cubo de açúcar pesa tanto quanto toda a população da Terra! Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia

Unindo forças: quatro passos para a descoberta

As três estranhas estrelas de nêutrons são tão frias que são fracas demais para serem vistas pela maioria dos observatórios de raios-X. “A sensibilidade superior dos observatórios XMM-Newton e Chandra tornou possível não só detectar estas estrelas de neutrões, mas também recolher luz suficiente para determinar as suas temperaturas e outras propriedades”, diz Camille Diez, investigadora da ESA que trabalha no XMM. -Dados de Newton.

No entanto, medições sensíveis foram apenas o primeiro passo para poder tirar conclusões sobre o que estas estranhezas significavam para a equação de estado da estrela de neutrões. Para tanto, a equipe de pesquisa de Nanda no ICE-CSIC reuniu a expertise complementar de Alessio Marino, Clara Dehmann e Konstantinos Kouvlaka.

Alessio foi um pioneiro na determinação das propriedades físicas das estrelas de nêutrons. A equipa foi capaz de inferir as temperaturas das estrelas de neutrões a partir dos raios X emitidos pelas suas superfícies, enquanto os tamanhos e velocidades dos remanescentes de supernovas que as rodeiam deram uma indicação precisa das suas idades.

Clara então assumiu a liderança no cálculo de “curvas de resfriamento” para estrelas de nêutrons para equações de estado envolvendo diferentes mecanismos de resfriamento. Isto implica traçar o que cada modelo prevê sobre como a luminosidade da estrela de neutrões – uma característica diretamente relacionada com a sua temperatura – irá mudar ao longo do tempo. A forma destas curvas depende de muitas propriedades diferentes da estrela de nêutrons, e nem todas podem ser determinadas com precisão a partir de observações. Por esta razão, a equipa calculou curvas de arrefecimento para uma gama de possíveis massas de estrelas de neutrões e intensidades de campo magnético.

Por fim, uma análise estatística liderada por Constantinos reuniu tudo. Aprendizado de máquina Para determinar quão bem as curvas de resfriamento simuladas se ajustam às propriedades das bolas estranhas, o estudo mostrou que as equações de estado sem um mecanismo de resfriamento rápido têm chance zero de corresponder aos dados.

“A pesquisa sobre estrelas de nêutrons abrange muitas disciplinas científicas, desde física de partículas até… Ondas gravitacionais“O sucesso deste trabalho prova a importância do trabalho em equipe para o avanço da nossa compreensão do universo”, conclui Nanda.

Referência: “Restrições na equação de estado da matéria densa de estrelas de nêutrons jovens e frias e isoladas” por A. Marinho, C. Dehmann, K. Koufalkas, N. Rea, J.A. Viganò, 20 de junho de 2024, Astronomia natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y