About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Cerca de uma vez por século, uma enorme estrela algures na nossa galáxia fica sem combustível. Isto acontece ao fim de milhões de anos de o calor e a pressão terem fundido o hidrogénio da estrela em elementos mais pesados, com hélio, carbono e azoto — tudo na direção do ferro. Incapaz de continuar a produzir energia suficiente para manter a sua estrutura, colapsa sob a sua pressão gravitacional e explode numa supernova. A estrela dispara a maior parte do seu conteúdo no espaço, semeando na galáxia os elementos pesados. Mas esta erupção cataclísmica deixa atrás de si o que talvez seja mais notável: uma bola de matéria tão densa que os eletrões atómicos colapsam das suas órbitas quânticas nas profundezas dos núcleos atómicos. A morte dessa estrela é o nascimento de uma estrela de neutrões, um dos objetos mais densos conhecidos no Universo e um laboratório para a estranha física da matéria supercondensada.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Mas o que é uma estrela de neutrões? Pensem numa bola compacta dentro da qual os protões e os eletrões se fundem em neutrões e formam um líquido sem fricção chamado um superfluido — rodeado por uma crosta. Este material é extremamente denso, equivalente à massa de um barco de contentores totalmente carregado, comprimido num cabelo humano ou a massa do Monte Evereste no espaço de um cubo de açúcar. Mais profundamente na crosta, o superfluido de neutrões forma diferentes fases a que os físicos chamam "pasta nuclear", porque assumem formas como as da lasanha ou do esparguete.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Os precursores maciços para as estrelas de neutrões giram frequentemente. Quando colapsam, as estrelas que habitualmente têm milhões de quilómetros de diâmetro, comprimem-se em estrelas de neutrões que só têm 25 quilómetros de diâmetro. Mas o ímpeto angular da estrela inicial mantém-se preservado. Pela mesma razão que um pião feito por um patinador acelera, quando encolhe os braços, a estrela de neutrões gira mais depressa que a sua criadora. A estrela de neutrões mais rápida registada, gira mais de 700 vezes por segundo, o que significa que um ponto na superfície gira através do espaço a mais de um quinto da velocidade da luz, As estrelas de neutrões também têm o campo magnético mais forte de qualquer objeto conhecido. Essa concentração magnética forma vórtices que irradiam feixes de luz a partir dos polos magnéticos. Como os polos nem sempre estão alinhados com o eixo de rotação da estrela, os feixes de luz giram como faróis que parecem piscar quando se veem da Terra. Chamamos-lhes pulsares. A deteção de um desses sinais cintilantes fascinantes pela astrofísica Jocelyn Bell em 1967 foi, de facto, a forma como descobrimos indiretamente as estrelas de neutrões. A rotação furiosa de um neutrão em envelhecimento abranda ao longo de um período de milhares de milhares de anos, quando ele radia a sua energia sob a forma de ondas eletromagnéticas e de gravidade.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Mas nem todas as estrelas de neutrões desaparecem tão tranquilamente. Por exemplo, observámos sistemas binários em que uma estrela de neutrões partilha a mesma órbita de outra estrela. Uma estrela de neutrões pode alimentar-se de uma companheira mais leve, devorando a sua atmosfera mais rarefeita, antes de acabar por se desintegrar cataclismicamente num buraco negro,
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
Enquanto muitas estrelas existem enquanto sistemas binários, só uma pequena percentagem delas acabam como binários de estrelas de neutrões, em que duas estrelas de neutrões se orbitam uma à outra numa valsa condenada a acabar numa fusão. Quando, por fim, colidem, enviam ondas de gravidade através do espaço-tempo
como as oscilações de uma pedra atirada a um lago calmo.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
A teoria da Relatividade Geral de Einstein previa este fenómeno há mais de 100 anos, mas só foi diretamente verificado em 2017, quando os observatórios de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO observaram a colisão de uma estrela de neutrões. Outros telescópios apanharam uma explosão de raios gama e um raio de luz e, posteriormente, raios X e sinais de rádio, tudo a partir do mesmo impacto. Isso tornou-se o acontecimento mais estudado na história da astronomia. Continha um tesouro de informações que ajudaram a definir a velocidade da gravidade, a reforçar importantes teorias em astrofísica e fornecer provas para a origem de elementos pesados como o ouro e a platina.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
As estrelas de neutrões ainda não nos revelaram todos os seus segredos, O LIGO e o VIRGO estão a ser melhorados para detetar mais colisões. Isso vai ajudar-nos a saber o que a morte espetacular destes ímanes densos, pulsantes, girantes, nos pode dizer mais sobre o universo.