Demora 512 anos para um fóton de alta energia viajar da estrela de nêutrons mais próxima para a Terra. Apenas alguns deles fazem a viagem. Mas eles carregam as informações necessárias para resolver uma das questões mais difíceis da astrofísica.
Os fótons disparam para o espaço em uma corrida enérgica. Raios quentes de energia de raios-X surgem da superfície do minúsculo, ultradenso, remanescente giratório de uma supernova. Os raios se dispersam por longos séculos em trânsito. Mas de vez em quando, um único ponto de luz de raios-X que viaja 157 parsecs (512 anos-luz) pelo espaço - 32 milhões de vezes a distância entre a Terra e o sol - se gasta contra o X da Estação Espacial Internacional (ISS) de raios X, apelidado de NICER. Então, na Terra, um arquivo de texto entra em um novo ponto de dados: a energia do fóton e seu tempo de chegada, medidos com precisão de microssegundos.
Esse ponto de dados, juntamente com inúmeros outros coletados ao longo de meses, responderá a uma pergunta básica no verão de 2018: qual a largura de J0437-4715, o vizinho mais próximo da estrela de nêutrons da Terra?
Se os pesquisadores puderem descobrir a largura de uma estrela de nêutrons, disse o físico Sharon Morsink a uma multidão de cientistas na reunião da American Physical Society (APS) em abril de 2018, essas informações podem apontar o caminho para resolver um dos grandes mistérios da física de partículas: como a matéria se comporta quando levada aos extremos mais selvagens?
Na Terra, dada a tecnologia existente da humanidade, existem alguns limites rígidos de como a matéria densa pode ficar, mesmo em laboratórios extremos, e limites ainda mais difíceis de quanto tempo a matéria mais densa que os cientistas produzem pode sobreviver. Isso significa que os físicos não foram capazes de descobrir como as partículas se comportam em densidades extremas. Simplesmente não existem muitas experiências boas disponíveis.
"Existem várias metodologias diferentes para as pessoas tentarem dizer como a matéria superdensa deve se comportar, mas nem todas concordam", disse Morsink, físico da Universidade de Alberta e membro de um grupo de trabalho da NASA. focado na largura das estrelas de nêutrons, disse a Live Science. "E o modo como nem todos concordam pode ser testado, porque cada um deles faz uma previsão do tamanho de uma estrela de nêutrons".
Em outras palavras, a solução para o mistério da matéria ultradensa está trancada dentro de alguns dos objetos mais densos do universo - estrelas de nêutrons. E os cientistas podem desvendar esse mistério assim que medirem com precisão quão amplas (e, portanto, densas) as estrelas de nêutrons são realmente.
Física de partículas no espaço profundo
"As estrelas de nêutrons são os objetos mais ultrajantes dos quais a maioria das pessoas nunca ouviu falar", disse o cientista da NASA Zaven Arzoumanian aos físicos na reunião em Columbus, Ohio.
Arzoumanian é um dos responsáveis pelo projeto NICER (Nutron Star Interior Composition Explorer) da NASA, que forma a base técnica do trabalho de Morsink. NICER é um grande telescópio giratório montado na ISS; monitora e cronometra com precisão os raios-X que chegam na área de baixa órbita terrestre do espaço profundo.
Uma estrela de nêutrons é o núcleo deixado para trás após uma enorme explosão de supernova, mas acredita-se que não seja muito maior que uma cidade de médio porte. Estrelas de nêutrons podem girar em altas frações da velocidade da luz, disparando raios cintilantes de energia de raios X para o espaço com um tempo mais preciso do que o tique-taque dos relógios atômicos.
E o mais importante para os propósitos de Morsink e de seus colegas, as estrelas de nêutrons são os objetos mais densos conhecidos no universo que não entraram em colapso em buracos negros - mas, diferentemente dos buracos negros, é possível para os cientistas descobrir o que acontece dentro deles. Os astrônomos só precisam saber com precisão a amplitude das estrelas de nêutrons e o NICER é o instrumento que deve finalmente responder a essa pergunta.
Sopa de quark
Os cientistas não sabem exatamente como a matéria se comporta no núcleo extremo de uma estrela de nêutrons, mas entendem o suficiente para saber que é muito estranho.
Daniel Watts, físico de partículas da Universidade de Edimburgo, disse a uma audiência separada na conferência da APS que o interior de uma estrela de nêutrons é essencialmente um grande ponto de interrogação.
Os cientistas têm algumas medidas excelentes das massas de estrelas de nêutrons. A massa de J0437-4715, por exemplo, é cerca de 1,44 vezes a do sol, apesar de ser mais ou menos do tamanho da Baixa Manhattan. Isso significa, disse Morsink, que J0437-4715 é muito mais denso que o núcleo de um átomo - de longe o objeto mais denso que os cientistas encontram na Terra, onde a grande maioria da matéria de um átomo se reúne em apenas um pontinho no centro.
Nesse nível de densidade, explicou Watts, não está nada claro como a matéria se comporta. Quarks, as minúsculas partículas que compõem nêutrons e prótons, que compõem átomos, não podem existir livremente por si mesmas. Mas quando a matéria atinge densidades extremas, os quarks podem continuar se ligando a partículas semelhantes às da Terra, ou formar partículas maiores e mais complexas, ou talvez se misturarem totalmente em uma sopa de partículas mais generalizada.
Watts disse à Live Science que o que os cientistas sabem é que os detalhes de como a matéria se comporta em densidades extremas determinarão a largura da estrela de nêutrons. Portanto, se os cientistas conseguirem medições precisas das estrelas de nêutrons, poderão reduzir o leque de possibilidades de como a matéria se comporta sob essas condições extremas.
E responder a essa pergunta, disse Watts, poderia desbloquear respostas para todos os tipos de mistérios da física de partículas que nada têm a ver com estrelas de nêutrons. Por exemplo, ele disse, poderia ajudar a responder como os nêutrons individuais se organizam nos núcleos de átomos muito pesados.
Medições NICER levam tempo
Acredita-se que a maioria das estrelas de nêutrons tenha entre 20 e 28 quilômetros de largura, apesar de serem tão estreitas quanto 16 km. Essa é uma faixa muito estreita em termos de astronomia, mas não é suficientemente precisa para responder aos tipos de perguntas em que Morsink e seus colegas estão interessados.
Para pressionar por respostas ainda mais precisas, Morsink e seus colegas estudam raios-X provenientes de "pontos quentes" girando rapidamente em estrelas de nêutrons.
Embora as estrelas de nêutrons sejam esferas incrivelmente compactas, seus campos magnéticos fazem com que a energia que sai de suas superfícies seja bastante desigual. Manchas brilhantes se formam e crescem em suas superfícies, girando em círculos enquanto as estrelas giram muitas vezes por segundo.
É aí que entra o NICER. O NICER é um grande telescópio giratório montado na ISS que pode pontuar a luz proveniente desses remendos com incrível regularidade.
Isso permite que Morsink e seus colegas estudem duas coisas, as quais podem ajudá-los a descobrir o raio de uma estrela de nêutrons:
1. A velocidade de rotação: Quando a estrela de nêutrons gira, Morsink disse, o ponto brilhante em sua superfície pisca na direção e para longe da Terra quase como o feixe de um farol girando em círculos. Morsink e seus colegas podem estudar cuidadosamente os dados NICER para determinar exatamente quantas vezes a estrela está piscando a cada momento e exatamente a velocidade com que o ponto brilhante está se movendo no espaço. E a velocidade do movimento do ponto brilhante é uma função da taxa de rotação da estrela e seu raio. Se os pesquisadores conseguem descobrir a rotação e a velocidade, o raio é relativamente fácil de determinar.
2. Flexão leve: As estrelas de nêutrons são tão densas que o NICER pode detectar fótons do ponto brilhante da estrela que disparou para o espaço enquanto o ponto estava apontado para longe da Terra. O poço de gravidade de uma estrela de nêutrons pode curvar a luz com tanta nitidez que seus fótons se voltam para e atingem o sensor da NICER. A taxa de curvatura da luz também é uma função do raio da estrela e sua massa. Assim, estudando cuidadosamente o quanto uma estrela com uma massa conhecida curva a luz, Morsink e seus colegas podem descobrir o raio da estrela.
E os pesquisadores estão perto de anunciar seus resultados, disse Morsink. (Vários físicos em sua palestra na APS expressaram alguma decepção por ela não ter anunciado um número específico e empolgação por estar chegando.)
Morsink disse à Live Science que não estava tentando provocar o próximo anúncio. O NICER ainda não coletou fótons suficientes para a equipe oferecer uma boa resposta.
"É como tirar um bolo do forno muito cedo: você acaba com uma bagunça", disse ela.
Mas os fótons estão chegando, um a um, durante os meses de estudo periódico do NICER. E uma resposta está chegando perto. No momento, a equipe está analisando os dados de J0437-4715 e a próxima estrela de nêutrons mais próxima da Terra, que fica duas vezes mais distante.
Morsink disse que não tem certeza de qual raio da estrela de nêutrons ela e seus colegas publicarão primeiro, mas acrescentou que os dois anúncios chegarão dentro de meses.
"O objetivo é que isso aconteça mais tarde neste verão, onde o 'verão' está sendo usado em um sentido bastante amplo", disse ela. "Mas eu diria que em setembro, deveríamos ter alguma coisa."
