O que acontece dentro das estrelas de nêutrons, os objetos mais densos do universo?

Nós realmente não sabemos, mas provavelmente envolve uma física verdadeiramente bizarra.

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Por Paul Sutter

Traduzido por Marco Centurion

Esta concepção artística retrata um magnetar — um tipo de estrela de nêutrons com um campo magnético forte. (Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech)

Estrelas de nêutrons são alguns dos objetos cósmicos mais estranhos, e os maiores mistérios estão profundamente em seus interiores.

Elas são os núcleos remanescentes de estrelas que explodiram e constituem o material mais denso conhecido no universo. Uma estrela de nêutrons típica tem uma massa algumas vezes maior que a do Sol, comprimida em uma região com apenas uma dúzia de quilômetros de diâmetro. Nas camadas mais externas das estrelas de nêutrons, a densidade é bilhões de vezes maior que a de um diamante. No núcleo das estrelas de nêutrons, as pressões esmagadoras podem romper os núcleos atômicos, talvez até os próprios prótons e nêutrons.

A gravidade superficial das estrelas de nêutrons é tão intensa que as maiores “montanhas” têm apenas alguns milímetros de altura. Suas superfícies são super estranhas: consistem em uma crosta de núcleos atômicos pesados espremidos em uma rede cristalina com elétrons livres para se movimentar entre eles.

Mais profundamente, a enorme gravidade permite que isótopos exóticos e raros existam em abundância. Normalmente, é possível colocar apenas um certo número de nêutrons em um núcleo antes que ele se desintegre, devido aos efeitos repulsivos da força nuclear forte resistindo à coesão. Mas a gravidade da estrela de nêutrons mantém tudo unido. Até uma profundidade de aproximadamente um quilômetro, núcleos atômicos podem conter centenas de nêutrons de uma só vez.

Mas até isso tem um limite. A pouco mais de meio quilômetro de profundidade, até mesmo esses núcleos de tamanho impossível se desfazem. Essa é a chamada "linha de gotejamento", onde nêutrons começam a escapar dos núcleos. Normalmente, nêutrons livres se desintegram em cerca de 15 minutos. Mas os confinamentos intensos do interior da estrela de nêutrons mantêm os nêutrons estáveis e livres para se moverem.

A apenas cerca de 2 quilômetros de profundidade, a matéria assume talvez sua forma mais estranha: a “massa nuclear”. Nesta região, onde a crosta transita para o núcleo, forças titânicas, gravidade, força nuclear forte e repulsão eletromagnética, competem pela dominância. Isso leva à formação de núcleos atômicos estranhos e irregulares com formas exageradas, conhecidos como gnocchi.

Abaixo disso, os aglomerados individuais se comprimem formando tubos longos (relativamente falando; tudo aqui ainda é microscópico), conhecidos como espaguete. Em seguida, os espaguetes se fundem para formar lasanha, que por sua vez se funde em uma massa única e uniforme. Mas essa massa apresenta defeitos e buracos — o “antiespaguete” e o “antignocchi”.

Ao todo, a região da pasta nuclear tem apenas cerca de 100 metros de espessura, mas pesa mais do que 3.000 Terras. É muita pasta!

Uma estrela de nêutrons pode ter o tamanho da cidade de Nova York com uma massa maior que a do Sol. Uma hipotética estrela de quarks seria ainda mais densa. (Crédito da imagem: NASA/Goddard Space Flight Center)

Abaixo disso, a cerca de 1,6 km de profundidade, os núcleos simplesmente se desfazem, incapazes de manter suas estruturas no ambiente esmagador. Aqui, nêutrons, prótons e alguns elétrons vagam livremente. E o que realmente acontece na região central de uma estrela de nêutrons é uma questão muito debatida, porque a física aqui está muito além da nossa compreensão atual.

Suspeita-se fortemente que a região externa do núcleo seja um superfluido, onde os nêutrons se movem com viscosidade e atrito zero. Os prótons restantes nessa profundidade também se tornam um supercondutor, sem resistividade elétrica. Nessas profundezas, a densidade é comparável à de um núcleo atômico, com os prótons e nêutrons espremidos o máximo possível. Essa região de uma estrela de nêutrons é, para todos os efeitos, um único núcleo atômico macroscópico, mantido unido não pela força nuclear forte, mas pela força gravitacional pura.

Os nêutrons nessa região desempenham um papel fundamental em sustentar a estrela contra um colapso gravitacional ainda maior. Uma forma disso é por meio da chamada “pressão de degenerescência”, eles estão tão comprimidos que vibram com velocidades incrivelmente altas, próximas à da luz, o que gera pressão. Além disso, a força nuclear forte é repulsiva entre os nêutrons, o que os impede de se comprimirem ainda mais.

Nas regiões mais profundas do núcleo, no entanto, simplesmente não temos ideia. As densidades no núcleo mais interno são maiores do que em um núcleo atômico. Não temos esperança de replicar ou recriar essas condições em laboratório, então só dispomos de modelos matemáticos imprecisos para nos guiar. Em alguns modelos, os nêutrons mantêm seu estado superfluido.

Em outros modelos, formas diferentes de matéria, como hiperons, deltas e condensados de bósons, podem surgir. Isso é possível porque nêutrons e prótons são compostos por partículas ainda menores, chamadas quarks. Nessas condições, os quarks podem se organizar e combinar de formas que seriam instantaneamente instáveis em qualquer outro ambiente. Mas aqui, podem ser perfeitamente estáveis. Em outros modelos ainda, todos os prótons e nêutrons, e até mesmo seus primos mais exóticos, se desintegram completamente, formando uma sopa de quarks e glúons, os portadores da força nuclear forte.

Mas tudo isso é pura especulação. A estrela de nêutrons mais próxima está a centenas de anos-luz de distância, e mesmo se pudéssemos abri-la, as condições especiais que criam esses estados exóticos se desfariam. Então, por enquanto, a única maneira de espiar dentro das estrelas de nêutrons é com matemática, e uma boa dose de suposições.

Artigo original encontrado em space.com  (originalmente publicado em 29/04/2025)

Link para acesso ao original: https://www.space.com/the-universe/stars/what-happens-inside-neutron-stars-the-universes-densest-known-objects