Estrela de neutrons tem superfluido em seu interior

Astrofísicos descobriram uma evidência clara de que no núcleo dos objetos estáveis mais densos do universo, as estrelas de nêutrons, a matéria existe em um dos estados mais bizarros já observados, o da superfluidez.

Formadas durante explosões conhecidas como supernovas, a partir da implosão do núcleo de uma estrela muito massiva, as estrelas de nêutrons concentram a massa de até dois sóis (ou seja, 660 mil vezes a massa da Terra) em uma esfera com uns 20 quilômetros de diâmetro. A matéria em seu interior, principalmente em seu núcleo, é tão espremida que os núcleos dos átomos se desfazem e formam uma sopa quente de neutrons. Uma colher de chá dessa sopa de temperatura de milhões de graus pesa seis bilhões de toneladas.

As estrelas de neutrons foram estudadas teoricamente desde os anos 1930 e, desde 1967, mais de duas mil delas já foram detectadas, conta Nicholas Chamel, da Universidade Livre de Bruxelas, que escreveu um comentário sobre a descoberta no site Physics.
 
Uma delas foi identificada pelo telescópio espacial Chandra de raios X em 1999, a 11 mil anos-luz de distância, no centro do remanescente da supernova Cassiopeia A — uma explosão que teria sido vista na Terra há 330 anos. A imagem abaixo mostra uma composição da Cassiopeia A vista em luz visível e em raios X, com uma ilustração artística de estrela de neutrons inserida, marcando sua localização:

 
Crédito:raios X
: NASA/CXC/UNAM/Ioffe/D.Page,P.Shternin et al; luz visível: NASA/STScI; ilustração: NASA/CXC/M.Weiss

As estrelas de neutrons nascem bem quentes, com temperaturas de milhares de bilhões de graus Kelvin, mas esfriam ao longo de suas primeiras décadas de vida até chegarem a temperaturas da ordem de milhões de graus. Os principais responsáveis por esse resfriamento são partículas de massa quase inexistente chamadas de neutrinos. Elas são produzidas em reações nucleares no interior dessas estrelas [uma delas é “o processo Urca“, descoberta pelo físico brasileiro Mário Schenberg (1914-1990)] e rapidamente escapam para o espaço, levando energia consigo, o que com o tempo diminui a temperatura da estrela.

Ano passado, Craig Heinke, da Universidade de Alberta, Canadá, e Wynn Ho, da Universidade de Southampton, Reino Unido, analisaram as observações da estrela de neutrons em Cassiopeia A feitas pelo Chandra entre 1999 e 2009. Deduzindo a temperatura da estrela por sua emissão de raios X, eles notaram uma queda de 4% da temperatura em dez anos. Logo ficou claro que essa taxa era alta demais para ser explicada apenas pelos processos de emissão de neutrinos mais conhecidos. 

Agora, no final de fevereiro, dois grupos de pesquisadores independentes anunciaram que chegaram a uma mesma solução para esse mistério. Um grupo publicou seus resultados em um artigo na Physical Review Letters, assinado por Dany Page, da Universidade Nacional Autônoma do México, e colegas. O outro grupo, liderado por Peter Shternin, do Instituto Técnico Físico Ioffe, na Rússia, e do qual Heinke e Ho fazem parte, publicará seu artigo na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Ambos grupos de pesquisadores conseguiram explicar as observações de Heinke e Ho, assumindo que há um século mais ou menos depois de nascer, quando o interior da estrela alcançou uma certa temperatura crítica, os seus nêutrons começaram a se organizar em pares. Quando dois nêutrons formam um par, eles emitem um par de neutrinos. Seriam esses neutrinos extras os responsáveis pelo rápido resfriamento da estrela.

De acordo com o modelo teórico, o resfriamento rápido acontece em uma fase da vida bem específica da estrela de nêutrons, durante algumas décadas, e depois continua mais lentamente. Se a explicação estiver correta, foi um lance de sorte encontrar uma estrela de neutrons jovem o suficiente e no momento certo para observar o fenômeno.  

Uma consequência do pareamento dos nêutrons é que, pelas leis da mecânica quântica, o comportamento coletivo deles se transforma radicalmente. A sopa de nêutrons passa a se comportar como um superfluido, um fluido que, diferente da água ou de outro líquido normal, não tem viscosidade. Isso significa que ele flui sem oferecer nenhuma resistência.

Aqui na Terra, os físicos encontraram o fenômeno da superfluidez pela primeira vez em 1938, resfriando hélio de peso atômico 4 líquido até alcançar meros 2,17 graus acima do zero absoluto, como neste vídeo:


Como visto no vídeo, entre outras bizarrices a ausência de viscosidade permite que o superfluido vaze por qualquer canal, não importa o quão pequena seja a sua espessura. Permite também que o líquido superfluido em um recipiente aberto vaze dele escalando a superfície molhada de suas paredes!   

Enquanto que a superfluidez do hélio-4 nos laboratórios aqui na Terra depende das interações entre os átomos resfriados quase ao zero absoluto, a superfluidez dos pares de nêutrons no interior das estrelas de neutrons depende da força nuclear forte, a interação da natureza que mantêm os núcleos atômicos coesos. Como os detalhes da força nuclear forte nas condições extremas de densidade e temperatura das estrelas de nêutrons são ainda incertos, estudar melhor o resfriamento rápido observado pode ajudar a testar os modelos atuais de como se comporta a matéria nuclear superdensa.

Se essa explicação para o fenômeno de Cassiopeia A estiver correta, os pesquisadores prevêm que o Chandra deve observar a mesma tendência de resfriamento pelas próximas décadas. Se a tendência não se confirmar e o resfriamento rápido parar abruptamente, sua causa pode ser algo mais simples, como a colisão de material remanescente da supernova com a estrela.

Referência:

Page, D., Prakash, M., Lattimer, J
., & Steiner, A. (2011). Rapid Cooling of the Neutron Star in Cassiopeia A Triggered by Neutron Superfluidity in Dense Matter, Physical Review Letters, 106 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.081101

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