Ensino de Astronomia no ABC

Prof. Yago H. R. Ribeiro ribeiros.yago@gmail.com

Aula 14 - Objetos Compactos Ⅰ

Revisão - Evolução Estelar: Estágios iniciais

→ Protoestrelas: Nuvens protoestelares em colapso formam casulos, que são grupos

de gases e poeira em que estrelas se desenvolvem, também conhecidos como berçários

estelares;

→ Quando a protoestrela colapsa sob a gravidade há um achatamento do material e

ocorre um aumento na pressão e temperatura;

→ Quando a protoestrela se aproxima da sequência principal, o seu campo magnético

fica mais forte, podendo capturar mais material circundante;

Revisão: Evolução Estelar: Sequência Principal

→ Uma estrela na sequência principal tem brilho

constante por maior parte de sua vida;

→ O brilho e a idade de uma estrela estão relacionados

a massa, composição e reações nucleares em seu

interior;

→ Num primeiro estágio as Estrelas na sequência

principal geram energia por fusão nuclear de

hidrogênio em hélio e permanecendo assim até o

esgotamento do hidrogênio no caroço;

→ No estágio seguinte, as estrelas na sequência

principal começam a queimar o hidrogênio nas

camadas mais próximas à superfície, essa mudança da

fonte de energia a torna instável, fazendo-a inchar até

um tamanho gigantesco.Diagrama mostrando a fusão de elementos no interior de uma estrela de massa moderadamente baixa.

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Revisão - Evolução Estelar: Sequência principal

→ A “morte” da estrela é determinada,

assim como muitos outros aspectos na

evolução estelar, por sua massa;

→ As estrelas de maior massa podem

explodir em supernovas, deixando uma

estrela de nêutrons ou um buraco negro;

Diagrama de Fusão nuclear no interior de estrelas de médias-altas massas.

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Revisão - Evolução Estelar: Sequência principal

→ As estrelas semelhantes ao sol, tornam-se gigantes

vermelhas e passam pelos estágios de Gigante do ramo

horizontal e gigante do ramo assintótico;

→ Gigante do ramo horizontal: queima de hélio no

centro e hidrogênio numa camada envoltória;

→ gigante do ramo assintótico: quando começa a se

formar um núcleo extenso de C inerte, ele se contrai

enquanto o envelope expande e resfria;

→ Em seguida colapsam em anãs brancas;

→ As estrelas de menor massa apenas se contraem.

Revisão - Evolução Estelar: Sequência Principal

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Diagrama: evolução estelar em relação à massa.

Revisão - Evolução Estelar: Nebulosas Planetárias

→ Nos estágios finais de evolução de uma estrela semelhante ao sol, suas camadas

mais externas se dissipam e criam um envoltório fulgurantes de gás - chamado de

nebulosa planetária;

→ Nebulosas planetárias são assim chamadas por sua semelhança com “discos

fantasmagóricos”, que em telescópios fracos, podem parecer planetas;

→ Embora tipicamente esféricas, são facilmente distorcidas por campos magnéticos ou

por estrelas companheiras, gerando formas complexas e belas;

→ O objeto central de uma nebulosa planetária é uma estrela anã branca.

Revisão - Evolução Estelar: Nebulosas Planetárias

NGC 7293, The Helix Nebula Credit: NASA, ESA e C.R. O'Dell

Planetary Nebula NGC 2440 Crédito: NASA, ESA, K. Noll (STScI)

Nebulosa da Hélice Nebulosa planetária NGC 2440

Revisão - Evolução Estelar: Supernovas

→ Para uma estrela de grande massa, a queima de hélio não é o fim e a fusão nuclear

de elementos cada vez mais pesados pode continuar em seu núcleo;

→ A estrela desenvolve um estrutura de camadas, semelhante a uma cebola, mas

devido aos diferentes elementos, cada camada queima por um período mais curto e

fornecendo menor energia;

Revisão - Evolução Estelar: Supernovas→ Quando a estrela tenta fundir o ferro, sua fonte

central de energia é cessada - isso ocorre devido

ao fato de que a partir do elemento ferro, a fusão

nuclear consome energia. Fazendo com que suas

camadas mais externas colapsem em direção ao

núcleo;

→ O ricochete da onda de choque despedaça a

estrela e por um breve momento possibilita a fusão

de elementos mais pesados;

Fonte: https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxsYXBhdWx1Y2NpfGd4OjZmZTYyNTI1OWFhMDA5NmE

Revisão - Evolução Estelar: Supernovas

→ Uma supernova pode ser mais brilhante que uma galáxia, uma supernova possui

luminosidade até 10¹⁰ L� ;

Algumas imagens acima podem ser concepções artísticas.

Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/evol/aatsn1987a.gif e https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2017/6-gravitationa.jpg

Revisão - Evolução Estelar: Supernova: Diferentes Tipos

→ Supernovas são classificadas pelo seu espectro de luz e também pela sua curva de luminosidade, ou seja a maneira que a luminosidade aumenta.

→ As supernovas são divididas e subdivididas em:

-Tipo I: Ia, Ib e Ic;

-Tipo II: II-P, II-L e II-b;

Revisão - Evolução Estelar: Supernova: Diferentes Tipos

Fonte: https://slideplayer.com.br/1873844/8/images/40/Supernovas+Tipo+I+e+Tipo+II.jpg

Revisão - Estrelas Binárias

São Estrelas que ocorrem em pares gravitacionalmente ligadas, girando em torno do

centro de massa comum.

Binárias são muito frequentes, tanto que alguém falou uma vez: “Três em cada duas

estrelas estão em binárias.”

Revisão - Estrelas Binárias

É importante diferenciar estrelas binárias reais das estrelas duplas aparentes, ou

binárias aparentes, em que duas estrelas estão próximas no céu, mas a distâncias

diferentes da Terra, e parecem duplas somente por efeito de projeção. Entretanto,

existem muitos pares de estrelas em que ambas as estrelas estão à mesma distância da

Terra e formam um sistema físico. Na verdade, mais de 50% das estrelas no céu

pertencem a sistemas com dois ou mais membros.

Revisão - Estrelas Binárias: Diferenciação

→ Binárias visuais: é um par de estrelas associadas gravitacionalmente que podem ser

observadas ao telescópio como duas estrelas;

→ Binárias astrométricas: quando um dos membros do sistema é muito fraco para ser observado,

mas é detectado pelas ondulações no movimento da companheira mais brilhante;

→ Binárias espectroscópicas: quando a natureza binária da estrela é conhecida pela variação de

sua velocidade radial, medida através das linhas espectrais da estrela, que variam em

comprimento de onda com o tempo, essa variação ocorre devido ao efeito Doppler. É mais fácil

detectá-las se a velocidade orbital for grande e, portanto, o período curto;

→ Binárias eclipsantes: quando a órbita do sistema está de perfil para nós, de forma que as

estrelas eclipsam uma a outra.

Objetos Compactos - DefiniçãoNo final das suas vidas, as estrelas expelem suas camadas externas em Nebulosas

Planetárias ou Supernovas. O que resta, basicamente o caroço nu da estrela, pode ser:

- Anãs Brancas;

- Estrelas de Nêutrons;

- Buracos Negros.

São corpos relativamente pequenos e muito densos. Por isto também são

chamados Objetos Compactos.

Objetos compactos são estrelas anãs brancas, estrelas de nêutrons e buraco negros

e, representam o estágio final da evolução estelar.

Objetos Compactos - Definição

Anã Branca* Estrela de Nêutrons* Buraco Negro*

Fonte: https://itechua.com/wp-content/uploads/2017/11/1-89.jpg

Fonte: https://meioambiente.culturamix.com/blog/wp-content/uploads/2013/01/Estrelas-De-Nêutrons-O-Fim-Das-Estrelas.jpg

Fonte: http://s2.glbimg.com/jpNxAnLfDXTDWxoJMZVSdhEdCQA=/e.glbimg.com/og/ed/f/original/2016/02/19/black_hole.jpg

*As imagens acima são concepções artísticas.

Objetos Compactos - DefiniçãoUma estrela gera pressão interna por

meio da fusão nuclear de elementos

químicos no seu interior que durante toda

a sua vida contrabalanceia

(dinamicamente) a atração gravitacional

da estrela por ela mesma; porém quando

a estrela se torna incapaz de usar o

combustível nuclear para fundir novos

elementos, não consegue se sustentar

diante do colapso gravitacional.

A estrela então colapsa e um objeto

compacto é formado.

Em alguns milhões de anos a estrela central da Nebulosa olho de gato (NGC 6543) colapsará em uma anã branca. Fo

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Objetos Compactos - Definição

Apesar de todos esses objetos surgirem de colapsos gravitacionais de estrelas, as anãs brancas e estrelas

de nêutrons não colapsam totalmente, pois as primeiras ainda são suportadas pela pressão de degenerescência

dos elétrons (a partir de 10⁶ g/cm³), enquanto as últimas são suportadas pela pressão de degenerescência dos

nêutrons (a partir de 10¹⁴ g/cm³).

A matéria que lidamos no dia a dia (papéis,

computadores, árvores, etc) é formada de átomos. Os

átomos são formados por sua vez de elétrons, prótons e

nêutrons. Esses dois últimos são formados por partículas

menores ainda, mas que estão fora do escopo da nossa

discussão.

Fonte: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/frames.html

Objetos Compactos - Definição

Buracos negros, por outro lado, são estrelas completamente colapsadas – isto é, estrelas que não encontraram outros meios para conter a atração gravitacional para dentro e, portanto, colapsaram para singularidades.

Impressão artística de um buraco negro chamado Cygnus X-1. Ele foi formado quando uma grande estrela colapsou. Este buraco negro atrai a matéria da estrela azul ao lado dele

Fonte: https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/what-is-a-black-hole-58.html

Objetos Compactos - Anãs BrancasEstrelas com massas moderadamente baixas (entre 0.4 e 4 massas solares) após

consumirem todo o hidrogênio nos seus núcleos e começarem a converter o hélio em

carbono (e em seguida o carbono em oxigênio, dependendo do quão grande são suas

massas), terminam sem energia para fundir esses últimos elementos.

Objetos Compactos - Anãs BrancasA atração gravitacional passa a contrair a estrela em direção ao próprio núcleo,

porém graças à pressão de degenerescência dos elétrons (conceito derivado da

mecânica quântica - Princípio de exclusão de Pauli) o colapso é interrompido e parte da

matéria que “caía” em direção ao núcleo é “rebatida” gerando uma onda de choque

para fora que expele material da estrela, deixando apenas um objeto denso central.

Assim se formam as anãs brancas e as nebulosas planetárias.

Objetos Compactos - Anãs BrancasAnãs brancas são estrelas de cerca de uma

massa solar com raio característico de cerca de 5000

km e densidades significativas de 10⁶ g/cm³.

Quanto maior a massa, menor é o raio da anã

branca. Essa relação é resultado da atração

gravitacional da estrela sobre si mesma. O que

contrabalanceia a atração gravitacional sustentando a

estrela é a pressão de degenerescência dos elétrons.

A massa máxima de uma anã branca é 1,4

massas solares e é chamada de massa de

Chandrasekhar.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Limite de Chandrasekhar

O físico Subramanyan Chandrasekhar recebeu o prêmio

Nobel de 1983 “por seus estudos teóricos dos processos físicos

de importância para a estrutura de Anãs Brancas: Limite de

Chandrasekhar”.

Chandrasekhar calculou que anãs brancas estáveis não

poderiam possuir massas acima de um limite máximo de 1,4

massas do Sol, que ficou conhecido como o limite de

Chandrasekhar (estrelas com massas superiores a essa são

capazes de vencer a pressão de degenerescência dos elétrons).

“Estrelas com massas superiores deveriam colapsar sobre a

força de seus próprios pesos, e estariam destinadas para um

destino mais espetacular”.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Características Gerais

O diagrama de Hertzsprung-Russell (HR)

ilustra que anãs brancas são menos brilhantes*

que as estrelas da sequência principal, porém suas

temperaturas podem ser muito superiores** em

comparação (dado que antes eram núcleos de

estrelas). Por causa disso, são mais brilhantes no

Ultravioleta e nos Raios-X.

* de 10.000 a 100.000 vezes menos brilhantes; **

variam de 3.000 K a 80.000 K.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Características Gerais

A temperatura na superfície de

Sirius A é cerca de 9.200 K , enquanto

a temperatura na superfície de Sirius

B é cerca de 27.400 K. Juntas formam

um sistema binário entre uma estrela

e uma anã branca, respectivamente.

À esquerda, o sistema estelar

Sirius no visível; à direita, o mesmo

sistema em Raios-X. Fonte da imagem

da direita:

Curiosidade: Sirius B foi a primeira anã branca

descoberta. Possui cerca de uma massa solar

compactada no tamanho do raio da Terra, que é

aproximadamente 100 vezes menor que o raio do Sol.

http://chandra.harvard.edu/photo/ 2000/0065/

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Curiosidade

Conforme anãs brancas que

apresentam estrutura interna de

carbono/oxigênio vão esfriando ao passar

de bilhões de anos, o seu interior vai se

cristalizando num tipo de diamante

gigante, cercado por uma crosta de hélio

e hidrogênio. Algumas ainda apresentam

uma pequena atmosfera de hidrogênio.

Representação artística do interior de uma anã branca

que possui núcleo formado por carbono e oxigênio

cristalizados.

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Objetos Compactos - Anãs Brancas: Curiosidade

Com o passar do tempo as anãs brancas irradiam energia para o espaço e

resfriam-se. Através da temperatura e luminosidade temos uma ideia de suas

idades.

Se encontrássemos um fim da sequência de anãs brancas na nossa

vizinhança, a posição (temperatura/luminosidade) deste fim nos daria a idade

das estrelas da nossa vizinhança, e assim do disco da Via Láctea.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Curiosidade

Este fim parece existir, e indica que as

primeiras estrelas de baixa massa morreram

há 9 bilhões de anos atrás. Adicionando-se a

isso o tempo de vida de pré-anã branca,

chega-se que o disco da Via Láctea tem 9.3

bilhões de anos de idade.

Curvas de esfriamento” de anãs brancas

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Objetos Compactos - Anãs Brancas: Binárias

Em sistemas binários onde uma das

estrelas é uma anã branca, podem

acontecer coisas interessantes.

Se a outra estrela que não a anã

branca, se expandir e se tornar uma gigante

vermelha que ultrapassa o Lóbulo de Roche

(região do espaço ao redor de uma estrela

em um sistema binário na qual material

orbital é gravitacionalmente vinculado a

essa estrela), material poderá cair na

superfície da anã branca

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Objetos Compactos - Anãs Brancas: Binárias

Esta variação de binária é chamada

de Variável Cataclísmica.

Representação artística de um

sistema binário com acreção por

transbordamento do Lóbulo de

Roche.

Fonte: https://curiosidadcientifica.files.wordpress.com/2009/05/ acrecion.jpg

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Binárias

Por um tempo este material pode

reacender a fusão nuclear na superfície da

anã branca, que aumenta de luminosidade

em um fator de 10 a 10⁶ . Fenômeno

chamado de Nova. Se essa massa da anã

branca chegar a alcançar a massa de

Chandrasekhar ela explode completamente

num imenso evento chamado de Supernova

IA.

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Objetos Compactos - Anãs Brancas: Binárias

Não entendemos exatamente quais

mecanismos levam às Supernovas Tipo IA (SNIa),

mas envolvem reativação da fusão nuclear, onde

carbono e oxigênio se transformam em ferro e

níquel.

Nestes eventos a pressões e temperaturas

extremas, elementos além do ferro podem ser

criados.

Gráfico simplificado da energia de ligação

por componente do núcleo contra o número de

massa. Fonte: http://physicsanduniverse.com/binding-energystability-nucleus/

Objetos Compactos - Anãs Brancas: BináriasEsse tipo de Supernova é diferenciado pois seu espectro de emissão não possui linhas

de hidrogênio nem de hélio, apenas de elementos mais pesados como Si, O, Mg, S, Ca, Fe,

etc, o que indica que são objetos em estados bem “evoluídos”. Os seus picos de

luminosidade podem ser determinados de seus picos de magnitude aparentes em galáxias

onde as distâncias são conhecidas através das estrelas variáveis Cefeidas.

Como há uma relação empírica entre o pico de luminosidade de uma SNIa e o tempo que leva para o brilho diminuir, as SNIa podem ser usadas como Velas Padrão e assim auxiliar na medição de grandes distâncias.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Binárias

Supernova 1994D, visível como o ponto brilhante

no canto inferior esquerdo, ocorreu nos arredores do

disco galáctico NGC 4526

Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap981230.html

Supernovas tipo Ia teve papel fundamental na descoberta da energia escura, pois foi com o estudo dessas SN que foi possível determinar um valor para a constante cosmológica e a aceleração da expansão do universo, o que será discutido na aula sobre cosmologia.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Vídeos Interessantes

Simulação de Supernova tipo Ia:

→ vídeo 1: https://www.youtube.com/watch?v=9BPxc5-9M-4

→ vídeo 2: https://www.youtube.com/watch?v=x0jh26fr8Xg

“Do que são feitas as estrelas de nêutrons?” – Laura Paulucci (UFABC), 28/08/2014;

https://www.youtube.com/watch?v=hyq3GmIBSxw

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Questionário

(1) Ao final de suas vidas, as estrelas expelem as suas camadas externas em Nebulosas

Planetárias e Supernovas, restando depois desse processo, apenas:

(a) Estrelas Compactas, Anãs Brancas e Buracos Negros.

(b) Pulsares, Anãs Brancas e Estrelas Compactas.

(c) Anãs Brancas, Estrelas de Nêutrons e Buracos Negros.

(d) Gigantes Vermelhas, Estrelas de Nêutrons e Buracos Negros.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Questionário

(2) O Sol terminará a vida como:

(a) Um buraco negro.

(b) Uma estrela de nêutrons.

(c) Uma anã branca.

(d) Uma gigante vermelha.

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Questionário

(3) Objetos compactos são formados a partir do colapso estelar. Qual par de

característica melhor os descreve:

(a) Possuem raios muito pequenos e campos gravitacionais muito intensos nas suas

superfícies.

(b) Possuem grandes raios e campos gravitacionais muito intensos nas suas superfícies.

(c) Possuem grandes raios e campos gravitacionais da mesma ordem de grandeza do

campo gravitacional na superfície da Terra.

(d) Possuem raios muito pequenos e campos gravitacionais da mesma ordem de

grandeza do campo gravitacional na superfície da Terra

Objetos Compactos - Anãs Brancas: Questionário

(4) Anãs brancas e estrelas de nêutrons são ditas estrelas que não colapsaram

completamente. O fator que impede o colapso total de cada, se chama

respectivamente:

(a) Pressão de degenerescência dos elétrons e pressão de degenerescência dos prótons.

(b) Presença de um forte densidade e pressão de degenerescência dos nêutrons.

(c) Presença de um forte campo magnético e presença de um forte campo magnético.

(d) Pressão de degenerescência dos elétrons e pressão de degenerescência dos

nêutrons.

Referências→ OLIVEIRA, Kepler de; SARAIVA, Maria de Fátima. Astronomia e Astrofísica. 4. ed. São Paulo: Livraria da Física,

2017. 640p.

→ RIDPATH, Ian. Astronomia: Guia Ilustrado Zahar. 3. ed. São Paulo: Zahar, 2008. 300p.

→ Prof. Dr. Pieter Westera, Disciplina: Noções de Astronomia e Cosmologia;

→ Ensino de astronomia no ABC, aulas anos anteriores;