Pergunte a Ethan: Por que as estrelas vêm em tamanhos diferentes?

Mesmo uma única estrela, como o Sol, varia muito em tamanho ao longo de sua vida. O que é, então, que explica a enorme variedade de tamanhos estelares que vemos hoje? Crédito da imagem: ESO / M. Kornmesser.



Mais massivo é maior, menos massivo é menor, certo? Isso não é nem metade da história.


Daqui a bilhões de anos, nosso sol, então uma estrela gigante vermelha distendida, terá reduzido a Terra a uma cinza carbonizada. – Carl sagan



Se você comparar o planeta Terra com o Sol, descobrirá que teria que empilhar 109 Terras umas sobre as outras apenas para ir de uma extremidade do Sol à outra. No entanto, existem estrelas por aí que são muito menores do que a Terra… e muito, muito maiores do que a órbita da Terra ao redor do Sol! Como isso é possível e o que determina o tamanho de uma estrela? É isso que Roman Stangl quer saber:



Por que os sóis podem crescer até… muitos tamanhos diferentes? Ou seja, variando de um pouco maior [do que] Júpiter até sóis que excedem a órbita de Júpiter?

É uma pergunta mais difícil do que você pensa, porque, na maioria das vezes, não podemos ver o tamanho de uma estrela.



Uma imagem profunda e telescópica das estrelas no céu noturno revela claramente estrelas de diferentes cores e brilhos, mas todas as estrelas mostradas aqui aparecem apenas como pontos. As diferenças de tamanho são ilusões de ótica, devido à saturação das câmeras de observação. Crédito da imagem: ESO.



Mesmo através de um telescópio, a maioria das estrelas aparecem como simples pontos de luz devido às suas incríveis distâncias de nós. Suas diferenças de cor e brilho são fáceis de ver, mas o tamanho é uma questão totalmente diferente. Um objeto de um determinado tamanho a uma distância específica terá o que é conhecido como diâmetro angular: o tamanho aparente que parece ocupar no céu. A estrela parecida com o Sol mais próxima, Alpha Centauri A, está a apenas 4,3 anos-luz de distância e, na verdade, é 22% maior que o Sol em raio.

As duas estrelas semelhantes ao Sol, Alpha Centauri A e B, estão localizadas a apenas 4,37 anos-luz de nós e orbitam uma à outra entre as distâncias de Saturno e Netuno em nosso próprio sistema solar. Mesmo nesta imagem do Hubble, no entanto, elas são simplesmente fontes pontuais supersaturadas; nenhum disco pode ser resolvido. Crédito de imagem: ESA/Hubble & NASA.



No entanto, parece-nos ter um diâmetro angular de apenas 0,007″, ou segundos de arco, onde são necessários 60 segundos de arco para fazer um minuto de arco, 60 minutos de arco para fazer 1 grau e 360 ​​graus para fazer um arco completo. círculo. Mesmo um telescópio como o Hubble só pode resolver até cerca de 0,05″; há muito poucas estrelas no Universo que um telescópio pode realmente resolver. Estas tendem a ser estrelas gigantes que estão por perto, como Betelgeuse ou R Doradus , que estão entre as maiores estrelas em diâmetro angular em todo o céu.

Uma imagem de rádio da estrela muito, muito grande, Betelgeuse, com a extensão do disco óptico sobreposto. Esta é uma das poucas estrelas que podem ser resolvidas como mais do que uma fonte pontual vista da Terra. Crédito da imagem: NRAO/AUI e J. Lim, C. Carilli, S.M. Branco, A. J. Beasley e R. G. Marson.



Felizmente, existem medições indiretas que nos permitem calcular o tamanho físico de uma estrela e são incrivelmente confiáveis. Se você tem um objeto esférico que fica tão quente que emite radiação, a quantidade total de radiação emitida pela estrela é determinada por apenas duas coisas: a temperatura do objeto e seu tamanho físico. A razão para isso é que o único lugar que emite luz para o Universo é a superfície da estrela, e a área da superfície de uma esfera segue sempre a mesma fórmula: 4π r 2, onde r é o raio da sua esfera. Se você pode medir a distância dessa estrela, sua temperatura e quão brilhante ela aparece, você pode saber seu raio (e, portanto, seu tamanho) apenas aplicando as leis da física.



Uma imagem ampliada da estrela gigante vermelha UY Scuti, imagem processada pelo telescópio do Observatório Rutherford. Esta estrela brilhante ainda pode aparecer apenas como um “ponto” na maioria dos telescópios, mas é a maior estrela atualmente conhecida pela humanidade. Crédito da imagem: Haktarfone / Wikimedia Commons.

Quando fazemos nossas observações, vemos que algumas estrelas são tão pequenas quanto apenas algumas dezenas de quilômetros de tamanho, enquanto outras chegam a mais de 1.500 vezes o tamanho do nosso Sol. Das estrelas supergigantes, a maior conhecida é Escudo UY com cerca de 2,4 bilhões de quilômetros de diâmetro, que é maior que a órbita de Júpiter ao redor do Sol. A questão é que esses exemplos extremos de estrelas não são para estrelas como o nosso Sol. Claro, o tipo mais comum de estrela é uma estrela da sequência principal como o nosso Sol: uma estrela feita principalmente de hidrogênio que obtém sua energia fundindo hidrogênio em hélio em seu núcleo. E estes vêm em uma variedade muito grande de tamanhos, determinados pela massa da própria estrela.



Uma jovem região de formação de estrelas encontrada dentro da nossa Via Láctea. À medida que as nuvens de gás colapsam gravitacionalmente, as proto-estrelas se aquecem e se tornam mais densas, eventualmente iniciando a fusão no núcleo. Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration; Agradecimento: R. O'Connell (Universidade da Virgínia) e o Comitê de Supervisão Científica do WFC3.

Quando você forma uma estrela, a contração gravitacional resulta na conversão da energia potencial (energia potencial gravitacional) em energia cinética (o calor/movimento) das partículas no núcleo da estrela. Se houver massa suficiente, a temperatura pode ficar alta o suficiente para iniciar a fusão nuclear nas regiões mais internas, pois os núcleos de hidrogênio sofrem uma reação em cadeia para se converter em hélio. Em uma estrela de baixa massa, apenas uma pequena porção do centro atingirá esse limiar de 4.000.000 K e sofrerá fusão, e isso será em uma taxa muito lenta. Por outro lado, as maiores estrelas podem ter centenas de vezes a massa do Sol e atingir temperaturas centrais de muitas dezenas de milhões de graus, fundindo hidrogênio em hélio a uma taxa milhões de vezes maior que a do nosso Sol.



O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. A esmagadora maioria (75%) das estrelas hoje são estrelas da classe M, com apenas 1 em 800 sendo massiva o suficiente para uma supernova. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB, acréscimos de E. Siegel.

As estrelas menores, nesse sentido, têm os menores fluxos de saída e pressões de radiação, enquanto as estrelas mais massivas têm as maiores. Essa radiação e energia externa é o que mantém a estrela contra o colapso gravitacional, mas pode surpreendê-lo saber que o alcance é relativamente estreito. As estrelas anãs vermelhas de menor massa, como Proxima Centauri e VB 10 são apenas 10% do tamanho do Sol; um pouco maior que Júpiter. Por outro lado, o maior gigante azul, R136a1 , tem mais de 250 vezes a massa do Sol... mas apenas cerca de 30 vezes o diâmetro do Sol. Se você está fundindo hidrogênio em hélio, sua estrela não vai variar muito em tamanho.

O aglomerado RMC 136 (R136) na Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães, é o lar das estrelas mais massivas conhecidas. R136a1, o maior de todos, tem mais de 250 vezes a massa do Sol. Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul/P. Crowther/C.J. Evans.

Mas nem toda estrela está fundindo hidrogênio em hélio! As estrelas menores não estão fundindo nada, enquanto as maiores estão em uma fase muito mais energética de suas vidas. Podemos dividir os tipos de estrelas que temos por faixa de tamanho, e o que encontramos são cinco classes genéricas:

  • Estrelas de nêutrons: esses remanescentes de supernovas contêm a massa de um a três sóis, mas são basicamente comprimidos em um núcleo atômico gigante. Eles ainda emitem radiação, mas apenas em pequenas quantidades devido ao seu tamanho minúsculo. Uma estrela de nêutrons típica tem cerca de 20 a 100 km de tamanho.
  • Estrelas anãs brancas: formadas quando uma estrela parecida com o Sol fica sem o último combustível de hélio em seu núcleo, e as camadas externas são expelidas enquanto as camadas internas se contraem. Normalmente, uma estrela anã branca tem entre 0,5 e 1,4 vezes a massa do Sol, mas é apenas o volume físico da Terra: cerca de 10.000 km de diâmetro e é feita de átomos altamente comprimidos.
  • Estrelas da sequência principal: incluem as anãs vermelhas, as estrelas semelhantes ao Sol e os gigantes azuis de que falamos anteriormente. Variando de cerca de 100.000 km a 30.000.000 km, eles cobrem um conjunto bastante amplo de tamanhos, mas mesmo o maior, se substituísse o Sol, não engoliria Mercúrio.
  • Estrelas gigantes vermelhas: então o que acontece quando você fica sem hidrogênio em seu núcleo? Se você não for uma anã vermelha (nesse caso, você se transformará em uma anã branca), a contração gravitacional aquecerá tanto seu núcleo que você começará a fundir hélio em carbono. Ah, e fundir hélio em liberações de carbono muito mais energia do que a velha fusão de hidrogênio, fazendo com que sua estrela se expanda tremendamente. A física simples é que a força externa (radiação) na borda da estrela tem que equilibrar a força interna (gravitação) para manter sua estrela estável, e com uma força externa muito maior, sua estrela simplesmente tem que ser muito maior . As gigantes vermelhas têm tipicamente cerca de 100-150.000.000 km de diâmetro: grande o suficiente para engolir Mercúrio, Vênus e possivelmente Terra.
  • Estrelas supergigantes: as estrelas mais massivas irão além da fusão de hélio e começarão a fundir elementos ainda mais pesados ​​em seus núcleos, como carbono, oxigênio e até silício e enxofre. Essas estrelas são destinadas a destinos de supernovas e/ou buracos negros, mas antes de chegarem lá, elas crescem em tamanhos tremendos que podem se estender por um bilhão (1.000.000.000) de quilômetros ou mais. Estas são as maiores estrelas de todas, como Betelgeuse, e engoliriam todos os planetas rochosos, o cinturão de asteroides, e as maiores até engoliriam Júpiter se substituíssem o nosso Sol.

O Sol, hoje, é muito pequeno comparado aos gigantes, mas crescerá até o tamanho de Arcturus em sua fase de gigante vermelha. Uma supergigante monstruosa como Antares estará para sempre fora do alcance do nosso Sol. Crédito da imagem: autor da Wikipédia em inglês Sakurambo.

Para as menores estrelas de todas, os remanescentes como estrelas de nêutrons e anãs brancas, é o fato de que sua energia aprisionada só pode escapar através de uma pequena área de superfície que as mantém tão brilhantes por tanto tempo. Mas para todas as outras estrelas, seus tamanhos são determinados por esse simples equilíbrio: a força da radiação externa, na superfície, tem que ser igual à força gravitacional interna. Forças de radiação maiores significam que a estrela incha para tamanhos maiores, com as maiores estrelas de todas se expandindo para bilhões de quilômetros.

A Terra, se os cálculos estiverem corretos, não deveria ser engolida pelo Sol quando ele se tornar uma gigante vermelha. Deve, no entanto, tornar-se muito, muito quente. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Fsgregs.

De fato, à medida que o Sol envelhece, seu núcleo se aquece e se expande e fica mais quente ao longo do tempo. Em um bilhão ou dois anos, estará quente o suficiente para ferver os oceanos da Terra, a menos que façamos algo para migrar a órbita de nosso planeta para a segurança. Dê-lhe tempo suficiente, e nós nos tornaremos uma gigante vermelha. Por algumas centenas de milhões de anos, seremos maiores e mais brilhantes do que algumas das estrelas mais massivas de todas. Por mais impressionante que isso possa ser, não se engane: o tamanho importa na astronomia, mas não é a única coisa. Tanto as menores estrelas de nêutrons quanto as maiores supergigantes, assim como muitas anãs brancas e estrelas da sequência principal, ainda serão mais massivas do que teremos como gigante vermelha!


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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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