Estrelas de Nêutrons e Pulsares

Apresentação em tema: "Estrelas de Nêutrons e Pulsares"— Transcrição da apresentação:

1 Estrelas de Nêutrons e Pulsares
Dos quarks às estrelas compactas... César Vasconcellos

2 Estrelas de Nêutrons e Pulsares
Das estrelas compactas aos quarks... “Cinzas” de estrelas luminosas... 1.Novos Estados da Matéria no Universo. 2.Formação e Evolução Estelar. 3.Propriedades. 4.Estrelas de Nêutrons. 5.Pulsares, Estrelas de Nêutrons em Rotação. 6.Composição. 7.Modelos Relativísticos Nucleares. 8.Matéria Hadrônica Densa. Matéria Nuclear Infinita. 9.Plasma Quark-Glúon Desdobramento, Iberê Camargo César Vasconcellos

3 1. Novos Estados da Matéria no Universo
César Vasconcellos

4 BBC CNN SPACE César Vasconcellos

5 César Vasconcellos

6 César Vasconcellos

7 Transmutam hidrogênio em hélio e estes em elementos mais pesados.
2. Formação e Evolução Estelar Estrelas formam-se a partir de uma gigantesca nuvem, composta basicamente por hidrogênio molecular. Devido à atração gravitacional, as moléculas de hidrogênio colapsam em direção ao centro da nuvem formando uma proto-estrela. Estrelas auto-gravitantes de gás ionizado. Fonte de energia: reações nucleares de fusão. Transmutam hidrogênio em hélio e estes em elementos mais pesados. Massas: [0,08,100] Msol. Massa do Sol: 1,9891  1030 Kg Temperaturas: [2500, 30000K]. César Vasconcellos

8 Cresce a energia gravitacional da Proto-Estrela.
A energia nuclear liberada no processo de fusão do hidrogênio é capaz de impedir que a estrela recém formada colapse totalmente. Isto ocorre devido ao balanço entre a energia gravitacional, que produz a contração da estrela, e a energia nuclear interna, que liberada produz uma pressão de radiação. O processo de fusão do hidrogênio não dura eternamente, e quando chega ao fim a estrela volta a contrair, podendo colapsar. Cresce a energia gravitacional da Proto-Estrela. Cresce agitação molecular. Inicia a fusão termonuclear. César Vasconcellos

9 A contração gera energia suficiente para o início de novos processos de fusão termonucleares, transformando gradativamente o hélio em carbono, nitrogênio e oxigênio (ciclo CNO (carbono, nitrogênio, oxigênio)). Estes processos não se repetem indefinidamente: reações de fusão nuclear, para certas composições, deixam de ser exotérmicas (liberam energia). Isto ocorre durante a formação do elemento ferro; neste caso as reações passam a ser endotérmicas (necessitam de energia externa para ocorrer). César Vasconcellos

10 Nesta fase, a estrela atinge o estágio final de sua evolução, com uma região mais interior, formada por ferro e regiões exteriores, formadas por elementos mais leves. Na superfície da estrela encontram-se moléculas de hidrogênio que não foram queimadas nestas fases do processo de evolução. Quando o processo de fusão tem seu final definitivo, ao formar núcleos de ferro, a contração da estrela faz com que as camadas mais externas da estrela “caiam” sobre as camadas mais internas. Elétrons relativísticos. Processos beta inversos:: neutronização. Ondas de choque. Instabilidade. Formação de região de acresção. Transporte de energia (neutrinos) à região de acresção. Ejeção de envelope de supernova. É assim que pode ocorrer a explosão de supernova. César Vasconcellos

11 C He C He César Vasconcellos Supergigante Gigante Vermelha Vermelha
Seqüência Nebulosa C Principal He Anã Branca H He 0,8 < M < 10 MSol Supergigante Gigante Vermelha Vermelha Estrela Nuvem em C Nêutrons Contração Proto - Seqüência Supernova He Estrela Principal H He 10 < M < 25 MSol Estrela Wolf-Rayer 25 < M < 100 MSol Supernova Seqüência Buraco Principal Negro Fe H He César Vasconcellos

12 3. Propriedades - Estrelas de Nêutrons e Pulsares
Estrela de Nêutrons Energia Térmica: ~ 1 MeV Temperatura: ~ 1010 K (Baixa do ponto de vista da física do núcleo.) Estrelas Frias E = kB T ; kB = 8,61  MeV / K César Vasconcellos

13 4. Estrela de Nêutrons Estrelas Compactas
Massa e Raio: estrelas de nêutrons poderiam abrigar uma vez e meia a massa do Sol em uma esfera de apenas 10 Km de raio. Densidade: isto faz com que estes objetos sejam extremamente densos: vezes a densidade da Terra. Número Crítico de Bárions: A ~ 1057. Massa Máxima: ~ [1 - 3] M. Densidade Média: ~ 4  1015 g/cm3 ~ 1015  Raio Máximo: ~ 10 km ~ R Estrelas Compactas R sol = 6,9599  1010 cm. M sol = 1,989  1033 gramas. “Uma colher de chá de uma estrela de nêutrons equivaleria em termos de força peso a de todos os carros e caminhões da Terra.” César Vasconcellos

14 Estudo das dimensões nucleares através do espalhamento e-A.
Digressão - Fator de Forma Elétrico Nuclear Fator de forma elétrico nuclear: leva em conta, na seção de choque, os efeitos de extensão da distribuição de carga nuclear: F(q2) = (1/Ze)  (r) ei q.r dV Medição d/d = | F(q2) |2 Puntual d/d Efeito da carga nuclear extendida: Mott Função de Estrutura: informação sobre a estrutura nuclear. d/d = | F(q2) |2 d/d Mott Estudo das dimensões nucleares através do espalhamento e-A. Este fator reduz a seção de choque diferencial no espalhamento elástico e-A. César Vasconcellos

15 Densidade de carga nuclear
(r) (e fm-3) Densidade de carga nuclear Fator de forma elétrico 0,10 0,08 R=r0 A1/3 0,06 Seção de choque 0,04 0,02 1 2 3 4 5 6 r (fm) César Vasconcellos

16 César Vasconcellos

17 Massa Máxima e A Crítico:
(Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) Compressão Gravitacional Pressão cinética de Fermi Partícula em equilíbrio: GMm ( hKF)2 R m  César Vasconcellos

18 Massa Máxima e A Crítico:
(Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) Partícula em equilíbrio: GMm ( hKF)2 R m  Acrítico 0, M = Am R = r0A1/3 Mcrítica  1057 mc2 César Vasconcellos

19 Massa Máxima e A Crítico:
(Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) M = Am R = r0A1/3 I) A2/3 (G/r0) (mc2/c2)2 = A2/3 (11,9x1031 fm2 g-1 s-2) (1671,4)2 x10-54 g2 = 3,3x10-16 fm2 g s-2 A2/3 II) (hc)2 KF2 / (2mc2) = (197 MeV fm)2 (1.4 fm-1)2 / (2x939MeV) = 40,5 MeV = 40,5 x 1,78 x g c2 =72,1 x g x (2,998)2 x 1046 fm2 s-2 = 64,8 x 1020 fm2 g s-2 Acrítico 0, A2/3=19,6.1036 A=86,8.1054 Mcrítica  1057 mc2 César Vasconcellos

20  = M/V=Amc2/(4 /3)A r03 = mc2/(4 /3) r03
Densidade nuclear  2,5 1014g/cm3 r0 > 1 fm ( 1,17fm)  = 4  1014 g/cm3 Matéria Nuclear r0  rN 1 fm César Vasconcellos

21 Densidade de Matéria/Energia em
Estrelas de Nêutrons M = 1,991030 kg = 1,116  1060 MeV m = 939 MeV massa do nêutron Acrítico = 2,6  1057 Suposição: empacotamento gravitacional limitado ao “caroço-rígido” nuclear r0  0,56  10-13cm REN  r0A1/3 = 0,5610-13 2,61/310(57/3)=19cm  7,7 km MEN  A m = 2,6  1057  939 MeV = 2,44  1060 MeV  2,18M Estrela de Nêutrons: núcleo gigante. César Vasconcellos

22 Densidade de Energia/Matéria MN = MEN/V = MEN/(4 /3) REN3
REN  r0 A1/3  7,7 km MEN  A m  2,18 M(M =1,989  1033 gramas) Densidade de Energia/Matéria MN = MEN/V = MEN/(4 /3) REN3 Estrela de Nêutrons: núcleo gigante. 2,181,9891033 gramas MN  Densidade nuclear (4 /3)4561015 centímetros3 A m c2 39391,7810-27g r0 > 1 fm ( 1,17fm)   m c2 A (4 /3) r03 40,56310-39cm3  = (4 /3) r03 MN  2,27  1015 g/cm3  2,5 1014 g/cm3 César Vasconcellos

23 Equações de Tolman, Oppenheimer e Volkoff
Modelos Estrelas de nêutrons são objetos relativísticos! César Vasconcellos

24 Estrelas de Nêutrons em Rotação.
5. Pulsares Massa  M=1 a 2 M Densidade   ~ 1015 g/cm3 Raio  R=10 km Densidade de Energia  10 MN Período  P>1,58 ms (630 Hz) Campo Magnético  B=[ ] G Estrelas de Nêutrons em Rotação. César Vasconcellos

25 Pulsares perdem energia rotacional:
Pulsar Crab: M = 1 massa solar; P=0.033s ; R = 104 m; César Vasconcellos

26 BNS BSol constante Fluxo Magnético Raio colapsa de 1 R para 10-5 R C
  BNS Modificação na Superfície  BSol Bsól ~ 0.01 Tesla :: BNS ~ 5 x Tesla = 5 x Gauss Observações mais recentes: BNS ~ 1018 Gauss!!!! César Vasconcellos

27 (K/)-1  a - (K/)-1 K/ (K/)2 K/ 0,2 0,5 1 /K
Freqüencia de Kepler: valor limite absoluto para a freqüência de rotação de uma estrela. (K/)-1  a - (K/)-1 K/ (K/)2 K/ 0, , /K César Vasconcellos

28 Pulsares - Estrelas de Nêutrons em Rotação.
Consideramos até aqui o caso não-trivial mais simples de estrelas estáticas e esfericamente simétricas: “elemento de linha” (métrica) d2=gdxdx  Forma de Schwarzschild (somente elementos diagonais). Estrela em rotação  “elemento de linha” d2=gdxdx  Forma de Schwarzschild. César Vasconcellos

29 d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2]
Expressão geral para o elemento de linha em um espaço-tempo com simetria axial: d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2] Estrela de Nêutrons em Rotação Uniforme com Simetria Axial: estática :: embora rotando, sua rotação é uniforme :: configuração que minimiza a massa-energia total para um valor específico de número bariônico e momentum angular. César Vasconcellos

30 d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2]
: ângulo polar :: planeamento centrífugo e rotação dos referenciais inerciais; Referencial local de Lorenz: g(p)= ; g,(p)= 0; (p)= 0 (affine connection); Referencial inercial: equação da geodésia se reduz à de movimento uniforme em linha reta: du/d = 0. G = c =1, métrica tem dimensões d2 = t2 ; forma ditada por invariânças frente à translação temporal e rotação axial; L: velocidade angular dos referenciais locais inerciais :: se a estrela não está rotando, partícula solta na periferia “cai” para o centro da estrela :: se a estrela está rotando, o caminho de queda livre da partícula não está mais dirigido para o centro da estrela :: a partícula sofre um arrasto (“dragagem”) na direção de rotação da estrela. Gravidade tidal: desvio do campo gravitacional da uniformidade para pontos vizinhos. César Vasconcellos

31 (,P()): tensor densidade de energia e momentum.
Momento de inércia de estrelas com simetria azimutal, rotação uniforme,com velocidade angular , constante para todo o fluido,relativísticas, em equilíbrio, com deformação rotacional e arrasto dos referenciais inerciais: I(R,) = -1 dr dd03-g  = - ( + P) uu + P -g(r,) = e(r,) e(r,) e(r,) e(r,) Suposição: toda matéria rotando com a mesma velocidade angular constante . I(R,) = -1 dr dd03-g = 40/2d0R()dr -g(r,) [+P()](r,)  A(r, ) A(r, ) =  [e2(r,) -2 (r,) - (r,)] Modelos César Vasconcellos

32 = 40/2d0R()dr -g(r,) [+P()](r,)  A(r, )
I(R,) = -1 dr dd03-g = 40/2d0R()dr -g(r,) [+P()](r,)  A(r, ) A(r, ) =  [e2(r,) -2 (r,) - (r,)] Modelos u = (u0,0,0,u3) :: quadri-velocidade do fluido. Rotação uniforme: u3 = u0. w(r,): velocidade angular do fluido em referencial localmente inercial.  = -w: velocidade angular resultante de elemento do fluido. Efeito de dragagem reduz força centrífuga (momento de inércia diminui). César Vasconcellos

33 6.Composição: Novas Formas da Matéria no Universo
César Vasconcellos

34 Estrelas de Nêutrons: neutralidade de carga elétrica.
Carga “net”=0 (densidade de carga  0). Razão: estrela ligada pela força gravitacional de longo-alcance. Carga “net” produziria instabilidade e disruptura. Equilíbrio Químico: assegura que o sistema não “ganha” energia através de processos de decaimento (direto e inverso). Convencionalmente: estado fundamental da matéria hadrônica :: quarks confinados em hadrons individuais. Este estado não seria apenas um estado de vida longa? Portanto, não seria então um estado absolutamente estável! Hipótese da matéria estranha:: o “verdadeiro” e absolutamente estável estado da matéria no Universo. Somente em escalas de tempo longas, aquelas da evolução estelar, seria possível o estado confinado transformar-se em matéria estranha. César Vasconcellos

35 Estrangeletes - Strange Quark Matter
Matéria de quarks estranhos (SQM): matéria contendo quantidades aproximadamente iguais de quarks up (u), down (d) e estranhos (s). Estados de muitos quarks contendo apenas quarks u e d, na forma de um plasma quark-glúon, têm densidades consideravelmente maiores do que os núcleos conhecidos. Estrangeletes: gotículas de SQM que contém aproximadamente igual quantidade de quarks u, d e s podem também ser mais densos do que os núcleos. Dimensões dos estrangeletes: Número de quarks contidos em um estrangelete: ~ César Vasconcellos

36 Estrangeletes - Strange Quark Matter
Estes estados podem existir como estados exóticos isoméricos de vida longa da matéria nuclear no interior de estrelas de nêutrons. Especulações sobre a estabilidade de estrangeletes são baseadas nas seguintes observações: O decaimento fraco de um quark s em um quark d poderia ser suprimido ou até mesmo proibido devido à ocupação dos estados mais baixos de partícula única (bloqueio de Pauli). A massa do quark s pode ser menor do que a energia de Fermi do quark u ou d em tal gotícula altamente densa. SQM: estado neutro de carga (Qu+Qd+Qs=0). César Vasconcellos

37 César Vasconcellos

38 7.Modelos Relativísticos Nucleares
Princípio da Ação. Modelos Nucleares.Formulação Relativística da Teoria de Campos. Campos: Bárions, Léptons, Mésons, Quarks, Glúons. Equações de Movimento dos Campos. Quantização dos Campos dos Bárions e dos Quarks. Matéria Nuclear. Limite Contínuo. Equação de Estado da Matéria Nuclear: p = p([kF]). Equações TOV. César Vasconcellos

39 7.Modelos Relativísticos Nucleares
Auto-interação entre mésons Bárions Densidade Lagrangiana (QHD): £ = BB[i- (MB-gB) - gB]B - BB[½gB. ]B + [i-m] + ½(-m22) - ¼ + ½m2 - ¼ . + ½ m2 . _ Léptons _ _ Mésons  Mésons  Quarks e Glúons £f =fa[i - MB - gg (i/2)abGi]fb Mésons  César Vasconcellos

40 p=p() EOS Exemplo típico César Vasconcellos

41 Equações de movimento hadrônicas. Exemplo típico:
César Vasconcellos

42 Equações de Movimento da QCD:
César Vasconcellos

43 “Determinação da EOS da Matéria Nuclear:
Holy Graal da Física Contemporânea." Determinamos assim: Massa da Estrela. Densidade de Energia.Compressibilidade. Pressão Cinética e Dinâmica.Populações Bariônicas e Leptônicas. E muito mais... César Vasconcellos

44 8. Matéria Hadrônica Densa (MHD)
Investigação da MHD: tópico fundamental na Física Nuclear e de Partículas. Através da Investigação da MHD: propriedade de confinamento da QCD poderá ser estudado em detalhes? César Vasconcellos

45 Matéria Hadrônica Densa (MHD)
QCD - propriedade de confinamento: QCD é uma teoria de calibre não-Abeliana e de campos quânticos. Investigação da MHD: esperamos verificar uma importante predição da QCD, a transição de fase da MH para um Plasma de Quark e Gluons livres. César Vasconcellos

46 Matéria Nuclear Infinita (MNI)
Na decada de 1950, um sistema hipotético foi inventado: Matéria Nuclear Infinita. MNI: semelhança próxima - no centro de núcleos pesados, em estrelas de nêutrons, de quarks, estranhas e híbridas. César Vasconcellos

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48 César Vasconcellos

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50 9. Plasma Quark-Glúon (PQG)
Formação do PQG em Estrelas de Nêutrons César Vasconcellos

51 Formação do PQG em Reações de Íons Pesados
César Vasconcellos

52 Clique aquí e veja uma animação
RHIC César Vasconcellos

53 Formação gasosa remanescente de supernova 3C58, contendo no seu centro um pulsar situado a cerca de anos-luz da Terra, na constelação Cassiopéia. Estrela compacta, RX J , a cerca de 400 anos-luz da Terra, na constelação Corona Australis. César Vasconcellos

54 Modelos: sacolas de quarks (SQ) e hadrodinâmica quântica (HDQ)
Predições dos modelos são inconfundíveis! César Vasconcellos

55 Problema Parâmetros da EoS da MNI não são suficientemente bem conhecidos: 1. densidade de saturação nuclear; 2. energia de saturação nuclear (energia de ligação por núcleon); 3. compressibilidade da matéria nuclear; 4. coeficiente de assimetria. César Vasconcellos

56 Conseqüência Uma Possível Solução
Conseqüência: incerteza expressiva nas predições em modelos de estrelas. Uma Possível Solução Solução: introduzir novos vínculos às teorias Naturalidade: coeficientes de expansão, em termos de escalas da QCD, em teorias de campos efetivas, C1. César Vasconcellos

57 Teorias de Campos Efetivas
Restringimos o sistema a determinadas escalas: 1. Escalas correspondentes a alcances mais longos da interação: graus de liberdade de troca mais leves. 2. Escalas correspondentes à alcances mais curtos da interação:  graus de liberdade de troca mais pesados. São estes aqueles levados em conta, IMPLICITAMENTE, nos coeficientes de expansão de uma teoria! NATURALIDADE: é uma forma de garantir a eliminação desta física implícita! César Vasconcellos

58 Modelo QHD com mésons delta:
Naturalidade em uma Teoria Relativística de Campo Médio para Estrelas de Nêutrons: efeitos de acoplamentos não-lineares com méson σ,δ César Vasconcellos

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60 O Som dos Pulsares César Vasconcellos

61 Pulsares são estrelas de
Massa  M=1 a 2 M Densidade   ~ 1015 g/cm3 Raio  R=10 km Densidade de Energia  10 MN Período  P>1,58 ms (630 Hz) Campo Magnético  B=[ ] G Pulsares são estrelas de nêutrons ou de quarks em rotação. César Vasconcellos

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63 Pulsares mais conhecidos, Vela e Crab.
Nebulosa Crab Pulsar Vela César Vasconcellos

64 Imagem de raios-X (Chandra) da remanescente de supernova G292. 0+1
Imagem de raios-X (Chandra) da remanescente de supernova G e pulsos de radio do pulsar PSR J O pulsar está assinalado com uma seta. César Vasconcellos

65 Estrelas de quarks indicam novos estados da matéria no universo.
RX J : suas dimensões e sua temperatura indicam que esta não é uma estrela nêutrons e sim uma estrela de quarks. César Vasconcellos

66 PSR B0329+54 PSR B0833-45, Pulsar Vela
Este pulsar é considerado um típico pulsar normal com período de rotação de segundos, i.e. , cerca de 1.40 rotações/segundo. PSR B , Pulsar Vela Este pulsar está situado perto do centro da remanescente de supernova Vela, formada a cerca de anos atrás. O pulsar é o caroço colapsado desta estrela, rotando com um período de 89 milisegundos ou cerca de 11 vezes por segundo. César Vasconcellos

67 PSR B0531+21, Pulsar Crab PSR J0437-4715
Este é o mais jovem pulsar conhecido, situado no centro da nebulosa caranguejo, a remanescente de supernova de sua explosão primordial. O pulsar rota cerca de 30 vezes por segundo. PSR J Este pulsar foi recentemente descoberto. Situado na região de períodos de milisegundos, sua aceleração ocorreu através de um processo de acresção de matéria de uma companheiro binária, durante o processo de expansão em sua fase de gigante vermelha. Como resultado do processo de acresção de matéria, momentum angular orbital da estrela companheira é convertido em momentum angular rotacional da estrela de nêutrons que rota agora a cerca de 174 vezes por segundo. César Vasconcellos

68 PSR B Pulsar mais rápido conhecido, rotando com um período de segundos, ou cerca de 642 vezes por segundo. A superfície da estrela rota com velocidade tangencial de cerca de 1/7 da velocidade da luz. Como as dimensões da estrela são da ordem da cidade de Porto Alegre, isto ilustra a imensidão da força gravitacional que deve atuar na estrela de modo a impedir sua decomposição devido às imensas forças centrífugas que sobre ela atuam no processo de rotação. “The Sounds of Pulsars”: Jodrell Bank César Vasconcellos

69 Conclusão Estrelas de Nêutrons e Pulsares: Laboratórios para
o Estudo de Novos Estados da Matéria no Universo. TEMAS ATUAIS NESTE CAMPO Condensação de Píons, Kaons, Híperons. Materia Estranha. Estrangeletes. Estrelas Híbridas. Estrelas de Quarks. Plasma Quark-Glúon. Confinamento de Quarks nos Primeiros Instantes do Universo. Origem do Universo. César Vasconcellos