A colisão e fusão de duas estrelas de nêutrons é conhecida como kilonova. Trata-se de um evento extraordinariamente energético.
"Foi a primeira vez que testemunhamos a criação de átomos. Podemos medir a temperatura da matéria e observar a microfísica nessa explosão remota." Rasmus Damgaard, astrofísico e pesquisador no DAWN Cosmic Center do Niels Bohr Institute (Dinamarca), escolheu essas palavras para descrever a magnitude de um dos fenômenos cósmicos mais espetaculares registrados pelo telescópio Hubble nos últimos anos.
Damgaard e seus colegas do DAWN Center estudaram a colisão de duas estrelas de nêutrons que desencadearam a formação do menor buraco negro já observado. O telescópio Hubble e outros instrumentos captaram esse evento, embora tenha ocorrido a impressionantes 130 milhões de anos-luz da Terra. O mais interessante é que a análise dessa colisão pode ajudar os cientistas a entender melhor o processo de formação de elementos mais pesados que o ferro, que não podem se condensar dentro das estrelas por meio de reações de fusão nuclear.
A colisão e fusão subsequente de duas estrelas de nêutrons é conhecida como kilonova, e é um evento extraordinariamente energético, capaz de emitir tanta luz quanto centenas de milhões de estrelas simultaneamente. É difícil de imaginar. De qualquer forma, o mais surpreendente é que os astrofísicos que estudam essa kilonova testemunharam, pela primeira vez, os processos que dão origem à criação de átomos, como explicam no artigo muito interessante que publicaram na Astronomy & Astrophysics.
Estrelas de nêutrons são um dos objetos mais emocionantes do cosmos
Estrelas de nêutrons nem sempre são solitárias. Às vezes, uma delas faz parte de um sistema binário ao lado de uma estrela "viva", e, se as condições forem favoráveis, esta última também pode acabar se tornando uma estrela de nêutrons. Nesse cenário, o sistema binário acaba sendo formado por duas estrelas de nêutrons que giram uma ao redor da outra. Com o tempo, elas perdem momento angular, o que faz suas órbitas se estreitarem e se aproximarem cada vez mais. Quando estão próximas o suficiente, a gravidade assume o controle e as duas estrelas de nêutrons estão condenadas a colidir.
Esse evento cósmico energético desencadeia a emissão de elétrons e nêutrons que acabam girando ao redor do objeto massivo que sobrou após a colisão das duas estrelas de nêutrons. Por fim, esse corpo entra em colapso a alta velocidade e dá origem à formação de um buraco negro. De maneira bem geral, foi isso que aconteceu na galáxia NGC 4993. O ponto de partida de tudo, como acabamos de ver, são as estrelas de nêutrons. Já explicamos como elas se formam em outros artigos, mas vale a pena revisar isso antes de concluir este tópico, pois é um processo fascinante.
Se o objeto que sobra após a estrela ter ejetado suas camadas externas para o meio estelar na forma de uma supernova tem mais de 1,44 massas solares, um valor conhecido como limite de Chandrasekhar, em homenagem ao astrofísico indiano que o calculou, o remanescente estelar colapsará novamente, originando uma estrela de nêutrons.
Poucos momentos antes da supernova ocorrer, o núcleo de ferro da nossa estrela massiva é submetido à enorme pressão das camadas superiores de material, além da incessante ação da contração gravitacional. Esses processos desencadeiam um mecanismo quântico que provoca mudanças importantes na estrutura da matéria, fazendo com que o ferro no núcleo estelar, que está a uma temperatura muito alta, se fotodisintegre sob a ação de fótons de alta energia, que constituem uma forma de transferência de energia conhecida como radiação gama.
Os fótons de alta energia conseguem desintegrar o ferro e o hélio acumulados no núcleo da estrela, gerando a produção de partículas alfa, que são núcleos de hélio sem sua capa de elétrons e, portanto, com carga elétrica positiva, e nêutrons. Além disso, existe um mecanismo conhecido como captura beta, que não vamos investigar para não complicar ainda mais o artigo. O importante é que sabemos que ele faz com que os elétrons dos átomos de ferro interajam com os prótons no núcleo, neutralizando sua carga positiva e levando à produção de mais nêutrons.
Durante esse processo, a matéria inicial, que era composta por prótons, nêutrons e elétrons, se torna composta apenas de nêutrons, pois, como vimos, os elétrons e os prótons interagiram por meio da captura de elétrons, gerando mais nêutrons. A partir desse momento, a estrela não é mais composta de matéria comum; foi transformada em uma espécie de imenso cristal formado exclusivamente por nêutrons.
No entanto, uma vez que a estrela alcançou esse estado, podemos nos perguntar qual mecanismo permite que essa bola de nêutrons resista e contrarie a pressão exercida pela implacável contração gravitacional. O fenômeno responsável por manter a estrela de nêutrons em equilíbrio é o princípio da exclusão de Pauli, um efeito de natureza quântica no qual não precisamos nos aprofundar para evitar complicar ainda mais o artigo.
De maneira geral, esse princípio, enunciado pelo físico austríaco Wolfgang Ernst Pauli em 1925, afirma que dois férmions do mesmo sistema quântico não podem permanecer no mesmo estado quântico. Os quarks, que são as partículas elementares que formam os prótons e nêutrons do núcleo atômico, são férmions. E os elétrons também. Para entender de forma simples o que significa que dois férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico e compreender de onde vem o equilíbrio das estrelas de nêutrons, podemos dizer que a impossibilidade de dois nêutrons ocuparem o mesmo lugar gera a pressão necessária para manter a estrela em equilíbrio.
E isso nos leva à característica mais surpreendente das estrelas de nêutrons: sua densidade. O raio médio de um desses objetos é de cerca de dez quilômetros, mas sua massa é enorme. Comparadas, por exemplo, às estrelas da sequência principal, ou até mesmo às anãs brancas, as estrelas de nêutrons são muito pequenas, e acumular tanta massa em um espaço tão pequeno significa que um fragmento de um centímetro cúbico de uma estrela de nêutrons pesa aproximadamente um bilhão de toneladas. É impressionante que um pedaço de matéria do tamanho de um cubo de açúcar possa ter um peso tão monstruoso.
Imagem | Xataka com Midjourney
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