Como as estrelas de nêutrons são magnéticas?
Se cargas giratórias e em movimento criam campos magnéticos, por que uma coisa gigante e neutra tem um?
Crédito da imagem: NASA , Observatório de Raios-X Chandra , ESTRELA , DSS , através da http://apod.nasa.gov/apod/ap140725.html .
Ao permitir que os íons positivos passem por um campo elétrico e, assim, lhes dê uma certa velocidade, é possível distingui-los dos átomos neutros e estacionários. – John Stark
Um pouco de física vai longe, e isso é especialmente verdade na astrofísica, onde a menor das forças e o menor dos efeitos se tornam as únicas coisas que importam. É, claro, devido às extremas concentrações e quantidades de material com que estamos lidando! Pegue algo tão inócuo quanto nosso pequeno e insignificante planeta.
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/Universidade do Arizona; HiRise / Mars Reconnaissance Orbiter.
O fato de termos um núcleo fundido, giratório e mutável com um dínamo magnético ativo dentro dele faz muito mais do que fazer agulhas de bússola apontarem para o pólo. O campo magnético gerado no núcleo da Terra se estende até o espaço, protegendo-nos dos perigos cósmicos e desviando partículas carregadas em movimento rápido para longe de nós.
Crédito da imagem: NOAA Space Weather Prediction Center, University of Colorado CIRES, USGS; NASA/GOES-R.
O Sol entra em ação ainda mais; seu campo magnético é enorme, e o plasma frequentemente traça o caminho dessas linhas de campo. Muitas vezes podemos ver o plasma quente e ionizado do Sol estendendo-se para cima e para fora muitas vezes o diâmetro da Terra, até (às vezes) formando um loop completo e chovendo como uma cachoeira de fogo.
Crédito da imagem: NASA / SDO, através do instrumento AIA do Solar Dynamics Observatory. Esta característica é cerca de quatro vezes o diâmetro da Terra.
Não é tão difícil imaginar por que o Sol ou a Terra fazem isso. Pense nos seguintes fatos:
- Esses objetos são compostos de átomos, que por sua vez são compostos de núcleos atômicos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente.
- Há um gradiente gravitacional e um gradiente de temperatura, o que significa que objetos de diferentes tamanhos, massas e seções transversais serão afetados de maneira diferente.
- Se esses fenômenos podem produzir até mesmo uma pequena separação de cargas, já que o Sol e a Terra estão girando, essas cargas que se movem de forma diferente irão gerar campos magnéticos.
E então terminamos!
Crédito da imagem: 2009, Instituto Max Planck para Pesquisa do Sistema Solar, Lindau imprimir , através da http://www2.mps.mpg.de/de/projekte/solar-corona3d/ .
Mas e as estrelas de nêutrons? Em vez de serem feitos de núcleos atômicos e elétrons, eles não são feitos de... bem, nêutrons?
Você sabe, aquelas coisas neutras – encontradas em núcleos atômicos – que não são carregadas?
Então, como eles fariam um campo magnético, que eles próprios são gerados por cargas elétricas em movimento?
Esta não seria uma pergunta tão interessante se não tivéssemos feito observações como esta.
Estes são os raios-X emitidos pela Nebulosa do Caranguejo, observados com o telescópio de raios-X Chandra da NASA. Sabemos que há uma estrela de nêutrons pulsante em seu núcleo e que esses raios X são emitidos como resultado de uma fonte magnética intensa localizada centralmente que afeta o plasma ionizado ao seu redor.
É mais do que apenas no raio-X, lembre-se; O Hubble também vê esses efeitos na luz visível!
Crédito da imagem: NASA / ESTA /CXC/ASU/J. Hester et ai., HST/ASU/J. Hester et al., por http://www.spacetelescope.org/images/opo0224b/ .
E no que diz respeito à escala, a Nebulosa do Caranguejo – criada em uma explosão de supernova em 1054 – tem cerca de 3 anos-luz de diâmetro neste ponto, quase um milênio após seu nascimento. Mas o que pode surpreendê-lo é a tremenda Tamanho deste recurso magnético; é mais que um ano luz em tamanho por conta própria!
Crédito da imagem: NASA , Observatório de Raios-X Chandra , ESTRELA , DSS , através da http://apod.nasa.gov/apod/ap140725.html .
A chave é que uma estrela de nêutrons não é apenas uma simples bola de nêutrons; é realmente em camadas. À medida que progredimos de fora para dentro, encontramos camadas de:
- elétrons, seguido por
- os núcleos dos átomos (como o ferro), seguido por
- uma camada onde os núcleos estão em camadas (como impurezas) dentro de um oceano de nêutrons, seguido por
- uma zona de transição para o núcleo,
- onde o núcleo é um superfluido de nêutrons (uma fase líquida com atrito absolutamente zero) junto com impurezas de partículas carregadas de várias massas dentro dele.
Crédito da imagem: Dany Page, via http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/NS_Mass.html .
Não é como ter uma entidade única e neutra! E não se esqueça que os próprios nêutrons não são partículas neutras fundamentais, eles próprios são compostos de partículas carregadas que têm cargas e massas diferentes umas das outras!
Crédito da imagem: CERN / Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, http://www.physik.uzh.ch/ . Este é um deutério, onde um nêutron e um próton estão ligados. Em uma estrela de nêutrons, muitos nêutrons unidos produzem uma série de estados de quarks ligados udd.
Os próprios nêutrons têm momentos magnéticos intrínsecos (já que são compostos desses quarks carregados), e as energias incrivelmente altas dentro da estrela de nêutrons podem não apenas criar pares de partículas / antipartículas, mas também criar exótico partículas também. As partículas carregadas que existem dentro da estrela de nêutrons são altamente condutor , além de ainda existirem gradientes gravitacionais, de densidade, temperatura e condutividade dentro da estrela de nêutrons.
E a aproximadamente 10 km de raio - com todo o momento angular de uma típica estrela parecida com o Sol - essas coisas giram a velocidades entre 10 e 70% da velocidade da luz!
Crédito da imagem: Medialab ESA/ATG.
Em suma, essa é uma receita para um campo magnético da ordem de 100 milhões de Tesla, ou cerca de um trilhão de vezes o que encontramos na superfície da Terra.
Não é à toa que é exatamente isso que vemos! Mesmo sem ter certeza absoluta do que está acontecendo no núcleo mais interno de uma estrela de nêutrons – se temos quarks, múons e taus de alta energia, ou quaisquer outros tipos de partículas raramente encontradas na natureza – a física convencional conservadora nesses ambientes extremos faz com que um campo magnético ultra-forte quase inevitável.
E é assim que uma estrela de nêutrons gera um campo magnético super forte!
Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
Agora o grande Próximo pergunta é: podemos ter um campo magnético super forte vindo de o interior de um buraco negro ? (Nós Vejo campos magnéticos de buracos negros, mas eles são gerados dentro do horizonte de eventos ou fora, como no disco de acreção?) E se eles vêm de dentro, qual é a física por trás disso? Até que saibamos a resposta, a pergunta nos fornece comida mais do que suficiente para saciar o apetite mais faminto!
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