Uma estrela de nêutrons pode sofrer abalos sísmicos e romper sua densa crosta, gerando explosões de raios-gama (GRBs)

As estrelas de nêutrons são as cinzas de estrelas massivas moribundas que colapsaram em esferas muito pequenas, densas e com crostas robustas. Por outro lado, as forças oriundas do seu interior podem quebrar suas crostas durante os eventos chamados sismos estelares, que lembram, mantendo-se as devidas proporções, nossos terremotos.

O poder avassalador dos sismos estelares (‘estrelamotos’) pode irradiar os energéticos raios-gama para o espaço e isto leva aos cientistas a suspeitar que as crostas das estrelas de nêutrons devam ser compostas de materiais extremamente rígidos, difíceis de serem rompidos.

10.000.000.000 de vezes mais resistente que o aço!

Visão interna de uma estrela de nêutrons mostra sua crosta sólida com ~1.600 metros de profundidade, massa de 1,5 vezes a massa do Sol, ~20 km de diâmetro e seu núcleo composto de nêutrons e outras partículas subatômicas. Crédito: NASA

Um novo estudo recentemente publicado sugere quão forte elas o são. Com base em um modelo inovador que considera o cenário das partículas elementares comprimidas tal como seriam à superfície de uma estrela de nêutrons, chegou-se à conclusão de que a crosta das estrelas de nêutrons deve ser  cerca de 10 bilhões de vezes mais forte que o aço.

Em 2004, os astrônomos analisaram uma extraordinária explosão de raios-gama (cuja sigla em inglês é GRB – Gama Ray Burst) oriunda da estrela de nêutrons SGR 1806-20 (a sigla SGR quer dizer Soft Gama Repeater, ou seja, objeto repetidor de raios gama), na constelação de Sagitário, a 50.000 anos-luz da Terra. O objeto SGR 1806-20 é classificado como um magnetar, uma classe restrita de estrela de nêutrons que contém aquelas que apresentam campos magnéticos ultra intensos. Os satélites da NASA e ESA, além dos astrônomos de todo o planeta, estudaram a GRB, que durante um décimo de segundo, foi mais brilhante do que qualquer coisa já observada fora do Sistema Solar. Foi o GRB de maior intensidade já detectado e um entre apenas quatro GRB similares já vistos, como por exemplo o que aconteceu no magnetar SGR 0501+4516 em 22 de agosto de 2008.

Acima: ilustração de um magnetar. Abaixo: dados do XMM-Newton. Os raios-X emanados por um violento fenômeno foram detectados em 22 de agosto de 2008 e acionaram o sensor automático do observatório espacial SWIFT, da NASA. Em 12 horas mais tarde o observatório espacial XMM-Newton foi alocado para coletar a radiação, permitindo a mais detalhada análise espectral da explosão gerada por sismo de um magnetar, o SGR 0501+4516. Crédito: ESA

“Nós pensamos que estas gigantes liberações de energia são causadas por sismos estelares muito, muito grandes”, disse Charles Horowitz, físico da Universidade de Indiana. Apenas uma crosta extremamente resistente poderia explodir com tamanha violência, explicou.

Para descobrir quão fortes são as crostas das estrelas de nêutrons, Horowitz e seu time criaram um modelo de simulação computacional representando a superfície estelar. Embora os cientistas julguem que o interior da estrela seja um tipo de um fluido massivo constituído principalmente de nêutrons, por outro lado os astrônomos assumiram que a crosta é constituída de átomos degenerados, núcleos de elementos desconhecidos. Para estudar este cenário Horowitz utilizou um programa de simulação computacional para processar um modelo onde átomos virtuais de selênio são agrupados e compactados em pequenos cubos.

“Não podemos produzir nenhum material como este aqui na Terra, daí a razão pela qual desconhecemos a natureza desta força”, disse. Os seus resultados foram publicados no em 8 de maio de 2009, na revista Physical Review Letters.

As estrelas de nêutrons não são apenas simples e antigas relíquias de estrelas, elas  são os núcleos de estrelas gigantescas que explodiram em supernovas. No leito de morte de uma estrela massiva, esta expulsa suas camadas externas de matéria para o espaço. Quando os ‘fogos-de-artifício-cósmicos’ acabam, o núcleo colapsa sobre si próprio por causa do peso de sua própria gravidade e a velocidade do seu giro em torno do seu eixo aumenta consideravelmente. Tal como na patinação artística, quando a patinadora encolhe os braços, a estrela roda mais depressa quando encolhe, explica Horowitz.

Pequenas no seu tamanho mas gigantes na sua massa…

As estrelas de nêutrons são objetos cósmicos relativamente pequenos, com cerca de 24 km de diâmetro. Embora pequena, dentro desta bola ultra densa está presente uma quantidade de matérias maior que a massa do nosso Sol, 1,35 M¤ a 2,1 M¤. Apenas os buracos negros conseguem superar a densidade de uma estrela de nêutrons.

Assim, as estrelas de nêutrons são tão densas que se colhêssemos uma ‘colher de sopa’ do seu material, tal substância pesaria 100 milhões de toneladas. Se deixássemos cair um objeto de uma altura de apenas 1 metro da superfície da estrela, este iria “cair” de volta, atingindo a superfície da estrela de nêutrons com uma velocidade 6,9 milhões de quilômetros por hora [≈1.917 km/s], ou seja, seria acelerada a velocidade formidável de 0,6% da velocidade da luz ao percorrer a distância de apenas 1 metro.

‘Montanhas’ de matéria degenerada que colapsam geram ‘estrelamotos’?

SGR 1806-20: representação artística do starquake ('estrelamoto') de 2004

Embora as suas superfícies sejam extremamente lisas por cauda da gravidade descomunal, podem existir ‘montanhas’ de material estelar super-denso na crosta. A altura das montanhas varia coerentemente com a força da crosta. Horowitz exagerou quando apelidou de ‘montanhas’ estes desníveis da superfície da estrela de nêutrons, porque tais elevações teriam apenas poucos centímetros de altura.

Assim, quando as elevações tornam-se demasiadamente altas, elas podem colapsar sob a gravidade da estrela e afundam novamente para a superfície. A maior altura possível para uma suposta ‘montanha’, seria cerca de 10 cm, estimou Horowitz.  Como a gravidade das estrelas de nêutrons é gigantesca, esta força se manifesta no espaço em torno da estrela de maneiras extremas, dobrando o espaço-tempo e diminuindo o período de rotação da estrela.

Fontes e referências

ArViv.org: The Breaking Strain of Neutron Star Crust and Gravitational Waves por C. J. Horowitz e Kai Kadau

Physical Review Letters: Breaking Strain of Neutron Star Crust and Gravitational Waves

Science Daily: Star Crust 10 Billion Times Stronger Than Steel, Physicist Finds

National Geographic: Star Crust Is Ten Billion Times Stronger Than Steel por Ker Than

NASA: Cosmic Explosion Among the Brightest in Recorded History

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