O universo é o lar de uma grande variedade de objetos estranhos e exóticos que parecem desafiar a lógica. Há coisas neste universo que são a própria definição de estranho. Talvez não haja melhor exemplo de quão estranho o universo pode ser do que estrelas de nêutrons. A própria existência delas é algo saído diretamente da ficção científica, e elas são um exemplo perfeito de algo que desafia nossa lógica terrena. O que exatamente é uma estrela de nêutrons? Como elas se formam? Como elas se comportam?
Como a matéria se mantém unida?
Antes de qualquer discussão sobre o que é uma estrela de nêutrons e como elas se formam, é importante discutir as leis da física que estão em jogo durante a formação de uma estrela de nêutrons. Esta discussão começa com uma pergunta simples, mas profunda: o que está impedindo a matéria de entrar em colapso sobre si mesma? Na maior parte, a matéria parece relativamente estável. Afinal, objetos cotidianos não entram em colapso sobre si mesmos. Entre cada dois átomos no universo, existe uma pressão física que os mantém separados. Curiosamente, a distância entre átomos individuais é tão grande que tudo no universo é principalmente espaço vazio. Se a distância entre átomos não fosse tão vasta quanto é, todas as formas de matéria entrariam em colapso rapidamente. Felizmente, as leis da física mantêm os átomos separados, e isso se deve a um princípio da física chamado Princípio da Exclusão de Pauli. De acordo com o Princípio da Exclusão de Pauli, dois férmions (férmions são uma classe de partículas que inclui prótons, nêutrons e elétrons) não podem ocupar a mesma região do espaço ao mesmo tempo. Basicamente, dois prótons, nêutrons ou elétrons não podem ocupar a mesma região do espaço ao mesmo tempo. O Princípio de Exclusão de Pauli é a razão pela qual a matéria não colapsa sobre si mesma. Como dois férmions não podem ocupar o mesmo espaço, eles mantêm uma distância entre si. A pressão entre átomos descrita pelo Princípio de Exclusão de Pauli é chamada de pressão de degeneração eletrônica. Para superar a pressão de degeneração eletrônica, você precisaria de alguma forma espremer os átomos juntos. Para fazer isso, você precisaria de uma quantidade imensa de pressão. Se você quiser encontrar algo que tenha esse tipo de pressão, não procure além das estrelas no céu.
Como as estrelas de nêutrons se formam?
Existe uma massa crítica que, se qualquer objeto no universo exceder, será capaz de superar a pressão de degeneração de elétrons. Essa massa é aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol. Qualquer estrela que seja mais massiva do que esse número terá o potencial de superar a pressão de degeneração de elétrons. Como uma estrela faz isso? Quando uma estrela massiva esgota seu suprimento de hidrogênio utilizável, sua imensa atração gravitacional começa a comprimir a estrela e ela colapsa sob seu próprio peso. À medida que a estrela colapsa, as pressões disparam. As pressões no núcleo da estrela se tornam tão altas que a pressão de degeneração de elétrons não é mais forte o suficiente para manter os átomos separados. Elétrons e prótons são comprimidos e se fundem. Como os elétrons têm carga negativa e os prótons têm carga positiva, as duas cargas se cancelam e formam um nêutron. Eventualmente, todo o núcleo da estrela é composto de nêutrons. O núcleo da estrela moribunda se torna uma estrela de nêutrons. As camadas externas da estrela continuam a colapsar e impactar a estrela de nêutrons. A força desse impacto faz com que a estrela em colapso se recupere e exploda como uma poderosa supernova . Tudo o que resta da estrela é uma vasta nuvem de material estelar ao redor da estrela de nêutrons recém-formada. Embora a estrela de nêutrons já tenha sido uma estrela com muitos milhões de milhas de diâmetro, as pressões extremas a comprimiram para apenas algumas milhas de diâmetro. Na verdade, as estrelas de nêutrons geralmente não são maiores do que uma cidade típica. Elas podem ser pequenas, mas seu peso é incrível. Uma estrela de nêutrons pode pesar muitas vezes mais do que o Sol. Na verdade, se você cobrisse seu carro com material de estrela de nêutrons, ele se tornaria tão pesado que afundaria em direção ao núcleo da Terra.
O que acontece quando uma estrela de nêutrons gira?
Cada estrela, incluindo o nosso Sol, gira. Assim como os planetas que as orbitam, as estrelas têm uma velocidade rotacional. À medida que uma estrela colapsa, sua velocidade rotacional acelera e a estrela gira mais rápido. Para entender como isso funciona, pense em um patinador no gelo trazendo os braços para dentro para aumentar a velocidade de rotação. O princípio é exatamente o mesmo para uma estrela. À medida que uma estrela em colapso gira cada vez mais rápido, a estrela de nêutrons em seu núcleo também gira mais rápido. Além da velocidade rotacional, cada estrela tem seu próprio campo magnético e, à medida que uma estrela colapsa, seu campo magnético também o faz. Surpreendentemente, à medida que você diminui o tamanho de um campo magnético, sua força aumentará exponencialmente. Assim, à medida que uma estrela colapsa, a estrela de nêutrons em formação começa a girar rapidamente, tendo um campo magnético extremamente energético. O campo magnético da estrela de nêutrons também gerará um campo elétrico de força igual. O campo elétrico libera partículas carregadas da estrela de nêutrons que são canalizadas através do campo magnético para os polos norte e sul da estrela de nêutrons. As partículas carregadas formam dois feixes de luz, um emanando de cada um dos polos. Conforme a estrela de nêutrons gira, os feixes de luz giram com ela, e a estrela de nêutrons parecerá estar piscando quando vista de longe. Estrelas de nêutrons que se comportam dessa maneira são chamadas de pulsares, pois parecem pulsar no espaço. De certa forma, os pulsares podem ser considerados faróis cósmicos. Em média, um pulsar girará uma vez por segundo, mas há alguns que foram observados girando ainda mais rápido do que isso.