Estrelas de nêutrons: o que nasce de uma explosão colossal

Uma colher de chá de matéria de uma estrela de nêutrons pesa cerca de um bilhão de toneladas. Não é metáfora: é a consequência direta de como esses objetos se formam, num dos processos mais violentos que o universo produz.

A morte que cria algo novo

Estrelas com massa entre 8 e 20 vezes a do Sol terminam a vida de forma dramática. Durante bilhões de anos, elas sustentam seu tamanho pela pressão gerada na fusão nuclear, que empurra para fora enquanto a gravidade puxa para dentro. Quando o combustível nuclear se esgota, o equilíbrio se rompe de vez.

O núcleo da estrela, composto principalmente de ferro nesse estágio final, não consegue mais sustentar fusão. O ferro não libera energia ao ser fundido, ao contrário dos elementos mais leves. Sem pressão de radiação suficiente, a gravidade vence em frações de segundo.

O colapso do núcleo acontece em menos de um segundo.

Nesse intervalo brevíssimo, o núcleo passa de um tamanho comparável ao da Terra para uma esfera de aproximadamente 20 quilômetros de diâmetro. A densidade sobe tanto que prótons e elétrons são forçados a se combinar, formando nêutrons e liberando partículas chamadas neutrinos em quantidade quase inimaginável.

A explosão que ecoa por semanas

A onda de choque gerada pelo colapso se propaga para fora e encontra as camadas externas da estrela ainda caindo em direção ao centro. O resultado é a supernova: uma explosão que pode brilhar mais do que uma galáxia inteira por semanas seguidas.

Os neutrinos liberados durante o colapso carregam cerca de 99% da energia total da explosão. Eles atravessam a matéria quase sem interação, mas em densidades tão extremas, mesmo essa fração mínima de absorção é suficiente para empurrar as camadas externas para longe a velocidades de dezenas de milhares de quilômetros por segundo.

O que sobra no centro é a estrela de nêutrons.

Ela gira rapidamente por causa da conservação do momento angular: assim como uma patinadora no gelo gira mais rápido ao recolher os braços, o núcleo que era grande e girava devagar passa a girar muito mais rápido ao encolher. Algumas estrelas de nêutrons recém-formadas completam centenas de rotações por segundo.

Matéria no limite do que a física conhece

O interior de uma estrela de nêutrons representa condições que nenhum laboratório terrestre consegue reproduzir. A camada externa é uma crosta sólida de núcleos atômicos organizados em estrutura cristalina. Mais para dentro, os nêutrons se empacotam de forma tão densa que a matéria se comporta como um superfluido, um estado sem viscosidade que a física quântica prevê mas que raramente se observa em escala macroscópica.

No núcleo mais profundo, a física ainda não tem resposta definitiva. Alguns modelos sugerem que os próprios nêutrons se dissolvem em quarks livres, formando o que os físicos chamam de matéria de quarks. Outros modelos propõem partículas exóticas chamadas híperons. Nenhuma dessas hipóteses foi confirmada diretamente.

A massa máxima de uma estrela de nêutrons é outro ponto em aberto. Acima de um certo limite, a pressão dos nêutrons não sustenta mais o objeto e ele colapsa em buraco negro. Estimativas atuais situam esse limite entre 2 e 3 massas solares, mas medições precisas ainda são objeto de debate na literatura científica.

Pulsares: faróis do universo

Muitas estrelas de nêutrons emitem feixes de rádio ou raios-X a partir dos polos magnéticos, que em geral não coincidem com os polos de rotação. Quando esses feixes varrem a direção da Terra, detectamos pulsos regulares, daí o nome pulsar.

O primeiro pulsar foi detectado em 1967 pela astrônoma Jocelyn Bell Burnell, então estudante de doutorado na Universidade de Cambridge. O sinal era tão regular que a equipe inicialmente brincou com a possibilidade de ser de origem artificial, apelidando o objeto de LGM-1, sigla para 'little green men'.

A explicação física logo se confirmou.

Alguns pulsares giram tão rápido e de forma tão regular que rivalizam com relógios atômicos em precisão. O pulsar PSR J0437-4715, por exemplo, completa mais de 170 rotações por segundo com variação de período extremamente pequena.

Quando duas estrelas de nêutrons colidem

Em 2017, o experimento LIGO detectou ondas gravitacionais geradas pela fusão de duas estrelas de nêutrons, evento catalogado como GW170817. Observatórios em todo o mundo captaram simultaneamente a emissão de luz do evento, marcando a primeira vez que um fenômeno astronômico foi observado tanto em ondas gravitacionais quanto em luz eletromagnética.

A colisão produziu um clarão de raios gama e, nos dias seguintes, uma kilonova: a fusão de nêutrons em elementos pesados como ouro, platina e urânio. Estima-se que o evento GW170817 produziu uma quantidade de ouro equivalente a várias vezes a massa da Terra.

Esse mecanismo, a fusão de estrelas de nêutrons, é hoje considerado pela comunidade astronômica como a principal fonte de elementos pesados no universo. O ouro em qualquer aliança de casamento provavelmente passou por um evento desse tipo bilhões de anos atrás.