Estruturas do Universo

Quando uma estrela massiva chega ao colapso, devido ao esgotamento de seu combustível, a região mais central do astro - seu núcleo - desaba sobre si mesma, comprimindo e fundindo cada dupla próton/elétron em um nêutron.

Se a massa desse núcleo estiver em uma faixa aproximada de 1 a 3 massas solares, então os nêutrons que foram criados podem interromper o colapso, formando-se, então, uma estrela de nêutrons. Entretanto, se a massa for maior do que isso, nada poderá evitar a continuidade do decaimento, até que seja atingido o nível de massa estelar que chamamos de buraco negro.

Embora não se compare à de um buraco negro, a densidade de uma estrela de nêutrons é altíssima, com massa por volta de 500.000 vezes a da Terra, distribuída dentro de um diâmetro entre 20 e 30 quilômetros, apenas.

Isto significa mais ou menos comprimir toda a massa do Sol dentro dos limites de uma cidade. Na superfície da Terra, um pedaço desse material, do tamanho de um cubo de açúcar, pesaria aproximadamente 1 trilhão de quilogramas (ou 1 bilhão de toneladas).

Esses objetos cósmicos iniciam suas existências como estrelas, logo podem ser encontrados nas mesmas regiões em que estas estão. E, assim como as próprias estrelas, também podem estar isolados ou constituindo sistemas binários (sistemas compostos por duas estrelas, uma orbitando a outra).

É bom ressaltar que, muitas vezes, os objetos celestes são vistos através de instrumentos que "enxergam" mais do que nossos olhos (ou telescópios óticos) podem ver. A luz ótica, captada por nossa visão humana, é apenas um dos tipos de radiação eletromagnética (Para saber mais, leia nosso artigo sobre o espectro eletromagnético).

Historicamente, indícios de estrelas de nêutrons têm sido captados através de observações em múltiplas faixas do espectro (em raios X e ondas de rádio, por exemplo). É provável que muitas delas sejam indetectáveis, simplesmente por não emitirem nenhuma radiação. Porém, sob certas condições, elas podem ser facilmente observadas.

Em sistemas binários, algumas estrelas de nêutrons podem ser encontradas sugando material de suas companheiras e emitindo radiação eletromagnética sustentada pela energia gravitacional da massa acrescida. Elas também têm sido localizadas nos centros de remanescentes de supernovas, sutilmente emitindo ondas de raios X.

No entanto, é mais comum que as estrelas de nêutrons sejam vistas girando rapidamente e criando intensos campos magnéticos. Em tais situações, elas são chamadas de pulsares ou magnetares, dependendo da intensidade magnética (a dos magnetares é bem maior).

A maioria das estrelas de nêutrons observadas são pulsares. Elas têm esse nome porque giram e emitem pulsos de radiação em intervalos de tempo muito regulares (ciclos com períodos na ordem de milissegundos a segundos).

Um pulsar tem fortes campos magnéticos, os quais afunilam jatos de partículas ao longo de seus dois polos. Essas partículas aceleradas produzem poderosos feixes de luz.

É frequente que os campos magnéticos não estejam alinhados com o eixo de rotação. Com isso, os feixes de partículas e luz são lançados por todos os lados, à medida que a estrela gira. Quando um feixe atravessa nossa linha de visão, detectamos um pulso. Assim, vemos os pulsares "piscando" a cada "varrida" de um feixe sobre a Terra.

Pode-se fazer uma analogia entre um pulsar e um farol litorâneo. À noite, o farol emite um feixe luminoso que varre o céu. Apesar da luz estar sendo emitida continuamente, vemos o feixe apenas quando ele aponta diretamente em nossa direção.

A simulação a seguir mostra o campo magnético girando em conjunto com a estrela de nêutrons, formando um pulsar:

O campo magnético de uma estrela de nêutrons típica é trilhões de vezes mais intenso do que o campo magnético da Terra. Entretanto, em um magnetar, esse campo é mil vezes ainda mais forte.

A crosta de uma estrela de nêutrons está sempre sob imensa pressão. Por isso, um pequeno movimento seu pode ser explosivo. E como a crosta e o campo magnético estão vinculados, a explosão propaga-se através do campo.

Ou seja, movimentos na crosta fazem com que a estrela de nêutrons libere uma vasta quantidade de energia, na forma de radiação eletromagnética. Por exemplo, um magnetar denominado SGR 1806-20 sofreu uma explosão que, em um décimo de segundo, liberou uma quantidade de energia maior que a gerada pelo Sol nos últimos 100.000 anos.

A hipótese de existência das estrelas de nêutrons foi formulada por astrônomos, pela primeira vez, nos anos 1930, pouco tempo depois da descoberta do próprio nêutron. No entanto, foi somente na década de 1960 que surgiu a primeira evidência.

Em 1967, Jocelyn Bell, uma aluna de doutorado orientada por Antony Hewish, detectou um sinal de rádio usando a Matriz de Cintilação Interplanetária (Interplanetary Scintillation Array), no Rádio-Observatório Mullard, em Cambridge, Reino Unido. O equipamento era um sistema projetado por Hewish para capturar ondas de rádio.

O sinal recebido consistia de pulsos muito regulares, a cada 1,3 segundos. De fato, a medida desse padrão de repetição foi tão precisa que, a princípio, cogitou-se que fossem ruídos do próprio equipamento. Na verdade, eram emissões de rádio oriundas de um pulsar que, atualmente, chama-se PSR B1919+12.

A descoberta da maioria dos pulsares deu-se em virtude de seus sinais de rádio. Por outro lado, estrelas de nêutrons ligadas a sistemas binários foram observadas principalmente em raios X. Quanto aos magnetares, são predominantemente detectados tanto em raios X quanto em raios gama.

O fato é que, se não fossem as observações em múltiplas faixas de radiação eletromagnética, não seriam tantos os objetos dessa natureza atualmente conhecidos.

Conforme já dissemos, não apenas alguns, mas a maioria dos pulsares catalogados foram vistos pela primeira vez através de ondas de rádio, mas há também os que foram captados em luz ótica, raios X e raios gama.

Alguns poucos pulsares não emitem sinais de rádio. Isto significa que existem mecanismos diferentes em ação na geração de energia em pulsares, mas a fonte principal é a rotação da estrela de nêutrons.

No caso de uma estrela de nêutrons que compõe um sistema binário com uma estrela normal, outro processo energético é significativo: a força gravitacional mais intensa da primeira pode sugar material da superfície da segunda.

Na medida que esse material espirala em torno da estrela, ele é afunilado pelo campo magnético na direção dos polos magnéticos. Assim, o material é aquecido até que fica quente o bastante para emitir raios X. Enquanto a estrela de nêutrons gira, essas regiões quentes passam pelo ângulo de visão da Terra e telescópios de raios X detectam os pulsos.

Por ser a força gravitacional sobre o material sugado a fonte básica de energia para tais emissões, esses pulsares de raios X também são chamados de pulsares potencializados por acreção.

Já vimos que os magnetares são estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremos, muito mais intensos do que aqueles encontrados nos pulsares. Essas fontes emitem pulsos contínuos e estáveis de raios X e leves erupções de raios gama.

O vídeo a seguir exibe o halo de raios X do magnetar SGR J1550-5418, durante erupções ocorridas em janeiro de 2009. O objeto produziu séries de centenas de descargas em um intervalo de apenas 20 minutos, sendo que as explosões mais intensas geraram mais energia total do que o Sol durante 20 anos.

As imagens foram obtidas pela sonda espacial Swift:

Os primeiros magnetares descobertos foram chamados de repetidores suaves de raios gama (SGR's - Soft Gamma-ray Repeaters), pois a princípio eles foram considerados como uma sub-classe das erupções de raios gama.