Formação e estrutura de objetos estelares compactos Sergio B. Duarte CBPF Julho 2012

Conteúdo do Curso Formação de objetos compactos na evolução estelar – o papel da nucleossíntese no ciclo evolutivo. Explosões de supernovas, mecanismos de explosão, geração de fluxo de neutrinos, nucleossíntese explosiva e o papel dos neutrinos para a explosão e nucleossíntese em supernovas. A matéria densa e superdensa destes objetos e os neutrinos aprisionados nos primeiros momentos de formação. Estrutura e estabilidade de estrelas supercompactas e o papel da Relatividade Geral Novos problemas observacionais e teóricos na área e suas conexões com as questões não respondidas sobre o plasma de quark e glúons, colocadas no contexto astrofísico Julho 2012

Bolhas de quarks no Universo Primordial Objeto mais compacto: O Universo primordial Transição de fase 1-ordem: quarks livres em equilibrio termodinâmico passam a quarks confinados em hádrons3. Transição adiabática : as bolhas se formam na co-existencias das fases hadrônica e de quarks. Bolhas de quarks no Universo Primordial Julho 2012

Visão Atual do Universe Pequena História Superstrings, Quantum Gravituy Formação de Estrutura em grande escala Modelo Padrão Desacoplamento de fotons QCD Julho 2004

Julho 2012

As Partículas fundamentais (Modelo Padrão) Bosons Mediadores da Força 10-16 metros As Partículas fundamentais (Modelo Padrão) Quarks Up (carga=+2/3) Charm Carga(+2/3) Top Carga(+2/3) Bosons Mediadores da Força Photon Down (carga=-1/3) Strange (carga=-1/3) Bottom (carga=-1/3) Gluons Leptons electron (carga=-1) Muon Tau W+ , W- Neutrino eletronico neutrino Muonico Neutrino tauonico Z I (leves) II III(pesados) Higgson (?)

Programa mundial de colisões Ultrarelativisticas 4-10 1.5-4.0 < 1 tQGP (fm/c) 15-40 3.5 2.5 e (GeV/fm3) 7000-14000 200 17 s1/2(GeV) LHC RHIC SPS Colisões Centrais Julho 2012

Julho 2004

Primeiras estrelas estão nascendo ... Julho 2012

Pequenas fluctuações desenvolveu para clusters de galaxias Julho 2012

Expansion of the Universe Julho 2012

Edwin Hubble (1889-1953) Lei de Hubble Estimado pelo efeito Doppler Hubble trabalhando com100” telescope em Mt. Wilson, CA. Julho 2012

Julho 2012

http://www.observatorio.ufmg.br/mes.htm Prof. Alaor Chaves Julho 2012

Surpresa Recente Supernova TypeI-a: vela padrão Na sua expansão o Universo esta acelerando... Pressão negativa !! (dark energy) ? Cosmological Constant do Einstein Scalor field, Quintensence .. Julho 2012

Dados obtidos pelo Supernova Cosmology Project Dados obtidos pelo Supernova Cosmology Project. A grandes distâncias a lei de Hubble é não linear, o que era esperado. Mas em vez de desaceleração, temos aceleração da expansão! Julho 2012

A cor e o brilho das estrelas Julho 2004

Radiação de Corpo Negro Planck Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Classificação de estrelas

Ejnar Hertzsprung (8.X.1873 - 21.X.1967). Diagrama de Hertzsprung-Russel Henry Norris Russell (25.X.1877 - 19.II.1957). Ejnar Hertzsprung (8.X.1873 - 21.X.1967). Julho 2012

NASCIMENTO DE ESTRELAS Colar de Estrelas em Formação Contornando o Núcleo de uma Galáxia - Foto do Telescópio Hubble Julho 2012

Da Matéria Interstelar a Estrela Frio, escuro e densa nuven interstelar Grande —10-100 parsecs da extensão (1014 – 1015 km) Basicamente gas atomico e molecular Instabildade gravitational no gas – causada por um gatilho externo, o nuvem colapsa. Julho 2012

Julho 2012

Termodinâmica Julho 2012

Gas Ideal g índice adiabatica Julho 2012

M Pressão Gravitacional para a massa M, raio R Esfera Homogenea com massa M: Julho 2012

P Pgas (r, T =const) Pgrav (r =const) M MJeans Julho 2012

Julho 2012

A massa limite de Jeans Julho 2012

Energia gravitacional transformada em calor no colapso adiabático, aumentando a temperatura do gás Teorema virial ∆Egrav / 2 = ∆ Eint-gas Julho 2012

Formação de Estrelas no meio interstelar galaxia Meio Interstelar Caroço denso ~1/10 pc ~10 pc ~10 000 pc Objetos Estrelares jovens e fluxo estrelas Julho 2012

Caminho para a sequencia principal Julho 2012

Caminhos para a sequencia principal Julho 2012

A diversidade de nuclídios Qual a origem ???

Processos explosivos e a formação de elementos pesados Evolução Stelar e Nucleossíntese Processos explosivos e a formação de elementos pesados Julho 2012

B A Cinza do A+B Julho 2012

Energia disponível DE=EA + EB –ECinza EB EA E( Cinza A+B) Julho 2012

DE=(Massa Inicial – Massa Final)c2 Relação de Einstein E=Mc2 DE=(Massa Inicial – Massa Final)c2 Julho 2012

Se Q>0, Reações exotermicas Valor Q A + B C + D Se Q>0, Reações exotermicas Julho 2012

Teoria de reações seus mecanismos e modelos o papel dos modelos nucleares Julho 2012

Seção de choque Taxa de reação Julho 2012

A cadeia pp I Julho 2012

A cadeia pp II A cadeia pp III ³He + 4He → 7Be + γ 7Be + e− 7Li + νe        ³He + 4He → 7Be + γ 7Be + e− 7Li + νe 7Li + ¹H 4He + 4He A cadeia pp III        ³He + 4He → 7Be + γ 7Be + ¹H 8B + γ 8B 8Be + e+ + νe 8Be ↔ 4He + 4He Julho 2012

As reações principais do ciclo CNO 12C + ¹H → 13N + γ +1,95 MeV 13N 13C + e+ + νe +1,37 MeV 13C + ¹H 14N + γ +7,54 MeV 14N + ¹H 15O + γ +7,35 MeV 15O 15N + e+ + νe +1,86 MeV 15N + ¹H 12C + 4He +4,96 MeV Julho 2012

O problema dos neutrinos solares Julho 2012

Rev. Bras. Ensino Fís. v.27 n.4 São Paulo out./dez. 2005 Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

QUEIMA DO HÉLIO

Processo-e e formação do grupo do Ferro Julho 2012

Estrelas massivas no final de seu ciclo evolutivo Julho 2012

Colapso do Núcleo de Ferro 1.4 Mo Diâmetro:1000 km Temperatura: 6 x 109 K Densidade: 6 x 109 g/cm3 Quando a massa de ferro excede o máximo de pressão que a degenerescência do elétron suporta o núcleo começa a sofrer o colapso gravitacional. Isso vai para um colapso catastrófico em uma escala de tempo de fração de segundos por causa da perda de pressão associada com a dissociação do núcleo de ferro por raios-gama e produção de neutrinos que escapam da estrela nas fases iniciais do colapso. Ondas de pressão de propagam para fora gerando uma onda de choque a uma distância de 50km do centro. Essa onda de choque é responsável pela expulsão das camadas externas das estrelas, produzindo a luz e o fenômeno de expansão associado a observação de supernovas.

Colapso Do Núcleo De Ferro Grande produção de raios-gama (gama Burst) e de neutrinos Fe56 = 13 He4 + 4n p + e = n + n

Processo Urca Os neutrinos formados “transportam” a energia rapidamente para fora das camadas da estrela. (Gamov e Schönberg ) (Z,A) + e => (Z-1,A) + ne (Z-1,A) => (Z,A) + e + ne Gamov comparou essa perda rápida ao dinheiro perdido rapidamente no cassino da Urca no Rio de Janeiro.

Julho 2012

O pulsar remanescente

Before After SN1987-a Julho 2012

Supernova 1998S in NGC 3877 Julho 2012

Nebulosa de Caranguejo e seu Pulsar Julho 2012

Hidrodinamica em 1- D Mezzacappa et al., PRL 86 (2001) 1935 Rampp & Janka, ApJ 539 (2000) L33 Simulação esfericamente simetrica, Newtoniana and com tratamento da Relatividade Geral, com os mais avançadas abordagens transporte de neutrinos, a explosão falhou !!! Julho 2012

Transport de neutrinos Principais ingredientes para calculos de Supernova Type II Equação de estado Calculo Hidrodinâmico incluindo o “bounce” do caroço e efeitos da onda de choque Problemas: A onda de choque amortece devido a perda de energia por fotodissociação de nucleos Transport de neutrinos Julho 2012

2-D Simulation : Convection Shock Wave at 1400 km Proto Neutron Star 1600 km Julho 2012

Uma hidrodinâmica esquemática Julho 2012

Conteúdo cinético e campo de velocidade nas CAMADAS HOMOGENIAS Campo vel. Camada 1 Campo vel. Camada 2 Julho 2012

Energia cinética total Julho 2012

Energia Gravitacional Energia Interna do meio estelar Julho 2012

A EQUAÇÃO DE MOVIMENTO Julho 2012

Força dep. Velocidades Força gravitacional Força de Pressão Julho 2012

Resolvendo .... EXPLODE !!! Dependendo da massa, e também da Eq.Equação de Estado... Pode NÃO EXPLODIR Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

A questão da nucleossíntese explosiva em Supernova Julho 2012

Processos De Captura De Nêutrons Processo S: Responsável pela formação de núcleos estáveis com massa até 210. Processo R: Responsável pelo aumento de mais isótopos ricos de nêutrons.

Papel das Supernovas para Formação de Elementos Pesado – O Processo-r Julho 2012

Percursos do Processo-r Julho 2012

Os núcleos com números mágicos ( N=50, 82, 126) são particularmente abundante (Z,N) + n (Z, N+1) (Z,N+1) + n (Z, N+2) . Porém este processo não vai continuar indefinidamente. Quando um núcleo ficar muito rico em nêutrons começa a reemiti-los, através da foto-emissão de nêutrons: (Z,N) + g (Z, N-1) + n Pode se estabelecer uma cadeia de isótopos em equilíbrio entre os dois processos de captura e foto-emissão (Z, N-1) + n ( Z,N) + g (Z, N) + n (Z,N+1) + g (Z, N+1) + n (Z,N+2) + g Julho 2012

Equações de síntese no processo-r Em equílibrio γn nγ O “freeze out” do processo-r Julho 2012

Abundancias geradas no Freeze out e processos que acompanham o decaimento-beta -Fissão -Emissão de neutrons retardados Julho 2012

Dinâmica do processo-r com ventos de neutrinos Absorção ν + (Z,A) -Dificuldades no tratamento individual : mais de 2000 núcleos envolvidos – inviável o calculo de estrutura via teorias microscópicas - RPA Julho 2012

Testando o calculo para o decaimento-β Julho 2012

Testando o calculo com GT para a captura eletrônica Julho 2012

Previsões para absorção de neutrinos Julho 2012

E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, F E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, F. Hoyle, Synthesis of the Elements in Stars, Rev. Mod. Phys. 29 (1957) 547 D. D. Clayton, “Stellar evolution and Nucleosynthesis", McGraw-Hill, 1968; Universidad de Chicago, 1983. Julho 2012

Comparando tamanhos Estrela de neutron Terra Anã Branca Julho 2012

Anãs Explosivas: Reações Pycnonucleares Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Julho 2012

Limite de Chandrasekhar Maxima mass de anãs 1.4 massa solar Acima disso, mesmo a pressão de eletrons degenerados não consegue balancear a ação gravitacional S. Chandrasekhar (1910-95) Julho 2012

M Gravitational Pressure for a star of mass M Homogeneous sphere of mass M: Julho 2012

Julho 2012

Pressão Estrela de Neutron Força Nuclear Pgrav(M>) Gas de eletrons relativistico degenerado Equilibrium (anã branca) Gas de eletrons não relativistico degenerado Pgrav(M<)

Nuclear Equation of State Gravitacional Implosion Supernovas Quark stars ? Nuclear Equation of State D r D M Julho 2012

Strange/Quark stars Varios modelos de Interior da “Neutron Stars”： Strange Stars? F. Weber Julho 2012

Programa mundial de colisões Ultrarelativisticas 4-10 1.5-4.0 < 1 tQGP (fm/c) 15-40 3.5 2.5 e (GeV/fm3) 7000-14000 200 17 s1/2(GeV) LHC RHIC SPS Colisões Centrais Julho 2012

A Transição de fase hadron-quark The canonical diagram to hadronic and quark matter states Julho 2012

indicam a ocorrência da transição Cálculos de QCD na rede indicam a ocorrência da transição Julho 2012

Indícios de possível formação matéria quark estranha em aceleradores Julho 2012

Julho 2012

Fase Hadrônica Fase subnuclear Diferentes regimes da matéria em Estrelas Neutron Fase subnuclear Cristal Nuclear + gás de elétrons Gás de Núcleos + gás de elétrons Cristal nuclear + gás de nêutrons + gás de elétrons Fase Hadrônica Bários + mesons + elétrons + múons Fase Quark-Gluon-Plasma (QGP)

1011 g/cm3 ≥ ρ ≥ 107-8 g/cm3 Fase subnuclear cristalina + eletrons . . . . . . . . . . . . 1011 g/cm3 ≥ ρ ≥ 107-8 g/cm3 . 3 Fase subnuclear cristalina + eletrons Equação de Baym, Pethick and Sutherland(BBS) Astrophys. J. (1971)

1011 g/cm3 ≥ ρ ≥ 108 g/cm3 Equação de Baym, Bethe and Pethick (BBP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fase subnuclear cristalina com neutrons livres Equação de Baym, Bethe and Pethick (BBP)

Fase Hadronica ρ > ρ0 Quantum Hadrodinamica – Walecka (1974) + leptons presentes no meio (eletrons, muons) + setor mesonico (σ ; ω ; ρ ; π ; κ ...) Julho 2012

Fase Hadronica Incluir todo o octeto bariônico with spin 1/2

Incluir o setor leptônico compatível com os processos de interação fraca envolvendo barios Incluir neutralidade de carga elétrica e e equílibrio beta como vínculos para os potenciais químicos barionicos e leptonicos Neutralidade de carga eletrica Julho 2012

Eq. de movimento dos Campos – Walecka -Equação Dirac p/Barions acoplada as equações p/mesons -Equações de Dirac p/leptons livres Aproximação de campo médio relativístico

Densidade escalar barionica e a massa efetiva dos barions Densidade leptonica Julho 2012

Equação de estado da fase hadronica na aproximaçã de campo medio mesonico Julho 2012

Uma equação de estado abrangente QGP Hadrons/leptons Núcleos + e Núcleos + n + e

Imagem da trasição Hadron-plamas Julho 2012

Quarks na composição de hadrons no modelo padrão Julho 2012

ρ > ~3ρ0 Fase de plasma de QCD O Modelo de Sacola do MIT (1974) Modelos tipo Nambu Jona-Lasinio (NJL) O Modelo de Massa Efetiva Dinâmica (MMEF) : modelo intermediário entre os modelos Bag MIT e NJL. Permite descrição do confinamento dos quarks e o regime de liberdade assintótica. Julho 2012

Modelo de Bag do MIT Julho 2012

Composição Julho 2012

Julho 2012

Diagramas Massa x Raio Julho 2012

SQM

Mass-Radius diagram of the model with Exo 0747-676 results Julho 2012

Quark-star structure and crust depth Crust details

Outros tópicos relacionados Gamma Ray Bursters Ultra High Energy Cosmic Ray Problem Gravitational Wave Detection Julho 2012

Fim Julho 2012