Pergunte a Ethan # 79: A menor estrela de nêutrons
Crédito da imagem: NASA.
O que aconteceria se você extraísse um pequeno pedaço de uma estrela de nêutrons?
Tente imaginar como será dormir e nunca mais acordar... agora tente imaginar como foi acordar sem nunca ter dormido. – Alan Watts
Às vezes, os experimentos mais divertidos em física são aqueles que você pode realizar apenas na sua cabeça. Apesar de nossas limitações físicas de não podermos realmente ir, dissecar e estudar em detalhes sangrentos qualquer objeto do Universo que queremos, nossa compreensão da matéria – em todas as suas formas – e as leis que a governam nos levam muito longe.
Crédito de imagem: Mattson Rosenbaum, viahttp://mindblowingphysics.pbworks.com/w/page/52043997/The%20Four%20Forces%202012.
Esta semana, tive dificuldade em escolher entre todas as perguntas e sugestões Recebi, mas acertei nesta alucinação do Rui Carvalho, que pergunta o seguinte:
Se pudéssemos pegar um pedaço de uma estrela de nêutrons (digamos um centímetro cúbico) e puxá-lo para longe da estrela, o que aconteceria com ela?
Qual é o problema com as estrelas de nêutrons, afinal?
Image credit: ESO/Luís Calçada.
Eles são, como o próprio nome indica, uma bola de nêutrons, unidos por sua intensa gravitação, de aproximadamente a massa de uma estrela como o nosso Sol. Isto é nozes , é claro, já que os nêutrons não deveriam existir por muito tempo. Afinal, você pode pegar qualquer partícula que quiser, deixá-la isolada e observar o que acontece. Das três partículas que compõem a maior parte da matéria normal que conhecemos – prótons, nêutrons e elétrons – os resultados são muito diferentes.
Crédito da imagem: CPEP/LBL/DOE/NSF.
Os elétrons são partículas fundamentais, e a partícula estável mais leve com carga elétrica. Até onde sabemos, os elétrons são perfeitamente estáveis, sem caminho possível para decaimento.
Os prótons são partículas compostas, formadas por quarks e glúons. Em princípio, há poder ser uma maneira de os prótons decaírem, então fomos e procuramos por isso. O que fizemos foi construir tanques gigantes cheios de prótons individuais – tanques enormes com cerca de 10^33 prótons dentro – e esperamos anos para ver se pelo menos um deles decai. Após décadas de experimentos como esse, determinamos que, se o próton é instável, ele tem uma meia-vida de pelo menos 10^35 anos, ou cerca de 10^25 vezes a idade atual do Universo. Até onde sabemos, os prótons também são perfeitamente estáveis.
Não é assim com nêutrons! Pegue um nêutron livre e não ligado, observe-o e provavelmente desaparecerá em cerca de 15 minutos , tendo decaído em um próton, um elétron e um antineutrino. (Sua meia-vida é menor: cerca de 10 minutos.)
Crédito da imagem: Olaf Van Kooten, via http://www.astroblogs.nl/2013/07/15/nucleosynthese-en-de-oerknal/bb-nucleo-11-neutron-decay/ .
Então, como podemos esperar ter uma entidade como uma estrela de nêutrons?
Há uma diferença entre um gratuitamente nêutron e um vinculado nêutrons, que também é a razão pela qual muitos dos elementos e isótopos não decaem: quando os núcleos estão unidos, há uma certa quantidade de nêutrons. energia de ligação lá: o suficiente para manter os nêutrons estáveis!
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons BenRG .
Para os elementos, certas configurações são mais estáveis do que outras, com pouco mais de 254 configurações possíveis, pelo que sabemos, sendo completamente estável contra o decaimento radioativo. (É concebível que, em escalas de tempo suficientemente longas, muitos deles se tornem instáveis; simplesmente não observamos isso ainda.) Mas nenhum deles é muito pesado ou consiste em muitos nêutrons. O elemento estável mais pesado? Isso é chumbo, elemento 82, com quatro isótopos estáveis conhecidos: Pb-204, Pb-206, Pb-207 e Pb-208.
Assim, de todos os elementos conhecidos, um núcleo atômico com 82 prótons e 126 nêutrons é o mais pesado e estável.
Crédito da imagem: Dmitri Pogosyan de http://www.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect18/lecture18.html .
Mas isso supondo que o nuclear força é o que está unindo vocês. No caso de uma estrela de nêutrons, há algo mais responsável. Para entender o que está acontecendo aqui, vamos entender como uma estrela de nêutrons é criada.
Nas estrelas mais massivas – as mais brilhantes e azuis criadas em aglomerados de estrelas jovens – elas fundem hidrogênio em hélio em seus núcleos, como todas as estrelas jovens. Ao contrário de estrelas como o Sol, porém, não levam bilhões de anos para queimar seu combustível, mas apenas alguns milhões (ou até menos), já que as temperaturas e densidades extremamente quentes no interior levam a uma taxa incrivelmente rápida. de fusão.
Quando eles ficam sem combustível de hidrogênio em seu núcleo, o interior começa a se contrair, fazendo com que ele aqueça. Quando atinge uma certa temperatura crítica, o hélio no núcleo começa a se fundir em carbono, resultando em uma taxa de liberação de energia ainda maior.
Depois de apenas alguns milhares de anos, o combustível de hélio se esgota e o interior desmorona ainda mais, aquecendo a temperaturas que o núcleo do nosso Sol nunca alcançar . Sob essas condições extremas, o carbono no núcleo começa a se fundir em oxigênio, e então, em reações semelhantes e sucessivas, o oxigênio se funde em silício e enxofre, o silício se funde em ferro e então... bem, então temos um problema.
Crédito da imagem: usuário Cedric H. da física stackexchange, via http://physics.stackexchange.com/questions/98/obtaining-isotope-stability .
O ferro, você vê, é o elemento mais estável. Com 26 prótons e 30 nêutrons em seu núcleo, ele tem a maior energia de ligação por núcleon, o que significa que qualquer outra configuração é menos estável Então aquele. (De acordo com algumas métricas, o níquel-62 é mais estável, mas usaremos o ferro-56 por simplicidade.) Você sabe que existem elementos mais pesados que o ferro, mas não os cria fundindo ferro com qualquer outro elemento. Em vez disso, quando o núcleo fica cheio de ferro, ele começa a se contrair gravitacionalmente e não há mais uma fonte de combustível para queimar. Tudo o que resta é um plasma incrivelmente quente e denso que está se tornando mais quente e mais denso ao longo do tempo.
Mas, finalmente, um limiar é alcançado e – surpreendentemente – elétrons e prótons começam a se fundir, criando nêutrons, neutrinos e energia!
Crédito da imagem: Money in Sulehria, via http://www.novacelestia.com/images/stars_supernova_process.html .
Essa reação descontrolada produz tanta energia que toda a camada externa da estrela é destruída em uma supernova, com a fusão de elétrons e prótons em nêutrons e neutrinos em questão de segundos.
Crédito da imagem: NASA / Hubble / Chandra / Spitzer composto, da Nebulosa do Caranguejo, cerca de 950 anos após uma supernova tipo II destruir as camadas externas da estrela e colapsar em uma estrela de nêutrons no núcleo.
Enquanto as camadas externas levarão semanas a meses para serem explodidas, o núcleo se condensa em uma bola de nêutrons sob a tremenda influência não da força nuclear, mas de gravidade .
Em seu núcleo, uma estrela de nêutrons tem a massa de um Sol condensada em um volume de apenas alguns quilômetros de raio. Sua densidade é de cerca de 10^19 quilogramas por metro cúbico, ou o objeto físico tridimensional mais denso conhecido no Universo.
Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.
Para que um nêutron seja estável contra o decaimento radioativo, ele precisa ter uma energia de ligação que seja maior do que a diferença de massa entre um nêutron e um próton, ou cerca de 1 MeV, cerca de 0,1% da massa do nêutron. E enquanto os nêutrons no núcleo serão facilmente ligados, os da superfície serão os mais tênues. Se considerarmos uma estrela de nêutrons como sendo igual à massa do Sol e com apenas 3 quilômetros de raio, um nêutron ligado à sua superfície teria cerca de 400 MeV de energia de ligação: o suficiente para evitar que se decomponha.
Mas e se extraíssemos um centímetro cúbico desta matéria, como pede Rui, da própria estrela de neutrões? O que teríamos, então?
Crédito da imagem: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
Infelizmente, a energia de ligação gravitacional dos nêutrons na superfície seria de apenas cerca de 0,07 elétron-volt, uma quantidade lamentavelmente insuficiente para impedir que os nêutrons decaíssem!
Na verdade, nos deparamos com uma situação um tanto análoga a esta no Universo natural: quando estrelas de nêutrons colidem com outras estrelas de nêutrons. Embora a maior parte da matéria possa se fundir para formar um buraco negro, cerca de 3% da massa é ejetada. Em vez de levar à matéria exótica, tudo se decompõe incrivelmente rápido, dando origem a uma grande fração dos elementos mais pesados da tabela periódica. Se você já se perguntou onde a maioria dos elementos como o ouro na Terra vem de , é isso: da fusão das estrelas de nêutrons!
Crédito da imagem: NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz e L. Rezzolla.
Então, se você extraísse uma massa muito pequena de nêutrons, ela simplesmente se fragmentaria e decairia em elementos e isótopos estáveis (ou de longa duração) da tabela periódica em pouco tempo, na escala de tempo de vida de um nêutron no máximo, e possivelmente em muito mais curtos.
Se quiséssemos extrair um pedaço grande o suficiente de massa para manter os nêutrons na superfície estáveis? Você precisaria que ele tivesse cerca de 200 metros de raio, ou cerca de oito vezes o diâmetro de A nave espacial Terra da Disney no Epcot .
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Katie Rommel-Esham.
Neste ponto, você está lidando com matéria suficiente para ser comparável à massa de Saturno, e esse é o limite inferior do que você precisa. Qualquer coisa menos massiva e sua bola de nêutrons decairá.
Então, por mais que você goste de acreditar que a matéria-estrela de nêutrons é do que o martelo do Poderoso Thor é feito…
Crédito das imagens: captura de tela de The Mighty Thor (L); IFLS (R).
a física simplesmente não permite. É muito pequeno, a energia de ligação gravitacional na superfície é muito pequena e simplesmente (e catastroficamente) decairia radioativamente.
Então, obrigado por uma ótima pergunta, Rui, e espero que se você sonha em criar a menor estrela de nêutrons, comece a pensar grande! Se você tiver uma pergunta ou sugestão para o Pergunte ao Ethan da próxima semana, vá em frente e envie , e nos vemos aqui em breve para mais maravilhas do Universo!
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