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 a cada século, uma estrela massiva, em algum lugar da nossa galáxia, fica sem combustível. Isso acontece depois que milhões de anos de aquecimento e pressão fundiram o hidrogênio da estrela com elementos pesados como hélio, carbono e nitrogênio, até formar o ferro. Ela deixa de produzir energia suficiente para manter sua estrutura, colapsa com sua própria pressão gravitacional e explode em uma supernova. A estrela lança quase todos os seus neutrinos no espaço, semeando a galáxia com elementos pesados. Mas o que essa erupção cataclísmica deixa é algo ainda mais marcante: uma bola de massa tão densa que elétrons atômicos colapsam de suas órbitas quânticas para as profundezas de núcleos atômicos. A morte de uma estrela é o nascimento de uma estrela de nêutrons: um dos objetos mais densos conhecidos no Universo, e um laboratório para a extraordinária física da matéria condensada.
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 nêutrons? Imagine uma bola compacta na qual prótons e elétrons se fundem em nêutrons e formam um líquido que flui sem atrito, chamado superfluido, rodeado por uma crosta. Esse material é incrivelmente denso, o equivalente à massa de um navio cargueiro totalmente carregado exprimido em um fio de cabelo humano, ou à massa do Monte Everest dentro de um cubo de açúcar. Abaixo da crosta, o superfluido de nêutron forma diferentes fases que a física chama de “pasta nuclear”, como se fosse espremida da forma de lasanha para a de espaguete.
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 massivos de estrelas de nêutrons começam a girar. Quando colapsam, estrelas que medem tipicamente milhões de quilômetros comprimem-se em estrelas de nêutrons com apenas cerca de 25 km de diâmetro. Mas seu momentum angular original é preservado. Da mesma forma que uma patinadora artística acelera quando junta seus braços ao corpo, a estrela de nêutrons gira bem mais rápido do que sua estrela de origem. A estrela de nêutrons mais rápida já vista gira mais de 700 vezes por segundo. Isso significa que um ponto em sua superfície gira no espaço a mais de um quinto da velocidade da luz. Estrelas de nêutrons também têm o campo magnético mais forte que qualquer objeto já conhecido. Essa concentração magnética forma vórtices que irradiam feixes dos polos magnéticos. Como os polos não estão sempre alinhados com o eixo rotacional da estrela, os feixes giram como faróis, que parecem piscar quando vistos da Terra. Chamamos isso de pulsares. A detecção de um desses intrigantes sinais luminosos, pela astrofísica Jocelyn Bell, em 1967, foi, na verdade, como indiretamente descobrimos as estrelas de nêutrons. A rotação furiosa da estrela de nêutrons perde velocidade em bilhões de anos, ao irradiar sua energia, emitindo ondas eletromagnéticas e gravitacionais. Mas nem todas as estrelas de nêutrons desaparecem de forma tão calma.
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.
Por exemplo, temos observado sistemas binários em que uma estrela de nêutrons coorbita outra estrela. Uma estrela de nêutrons pode alimentar-se de algo mais leve, engolindo sua atmosfera menos densa, até finalmente colapsar de forma cataclísmica em um buraco negro. Enquanto muitas estrelas existem como sistemas binários,
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.
as estrelas de nêutrons binárias representam um percentual muito pequeno, e ocorre quando duas estrelas de nêutrons se rodeiam até se fundirem. Quando finalmente colidem, enviam ondas gravitacionais pelo espaço-tempo, como as ondulações geradas por uma pedra jogada num lago calmo. A Teoria da Relatividade, de Einstein,
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.
previu esse fenômeno há mais de 100 anos, mas não havia sido confirmada diretamente até 2017, quando os observatórios de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO observaram a colisão de estrelas de nêutrons. Outros telescópios detectaram raios gama e um flash de luz, e, depois, raios x e ondas de rádio, todos vindos do mesmo impacto. Aquele se tornou o evento mais estudado da história da astronomia. Produziu informações valiosíssimas que definiram a velocidade da gravidade, endossaram teorias importantes na astrofísica, e forneceram evidências sobre a origem de elementos pesados como ouro e platina. As estrelas de nêutrons não revelaram todos os seus segredos ainda.
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.
LIGO e VIRGO continuam sendo aperfeiçoados para detectar mais colisões. Isso nos ajudará a aprender o que mais a espetacular morte desses ímãs densos, pulsantes e giratórios pode nos dizer sobre o Universo.