OBJETOS COMPACTOS

ESTRELAS DE NÊUTRONS

E BURACOS NEGROS

REMANESCENTE CENTRAL DE SNII

ESTRELA DE NÊUTRONS E BURACO NEGRO

Durante os estágios finais de vida de uma

estrela massiva, um núcleo central de nêutrons

é criado.

O núcleo colapsa cada vez mais rapidamente, e

após um certo momento o material que colapsa

encontra um centro muito denso e ricocheteia

causando uma explosão.

• A temperatura central atinge 10 bilhões de K. Fótons atingem altíssimas

energias o suficiente para quebrar o Fe em núcleos mais leves e por fim

quebrar estes núcleos mais leves em prótons + nêutrons.

• Fotodesintegração absorve energia (fótons), isso faz o núcleo diminua a

sua temperatura e conseqüentemente reduza a pressão de radiação o

colapso acelera. O núcleo agora consiste somente de partículas elementares:

prótons, nêutrons e elétrons

• Com o colapso, a densidade central cresce ainda mais (1000 toneladas/cm3).

Prótons e elétrons são pressionados, gerando a reação:

próton + elétron nêutron + neutrino (NEUTRONIZAÇÃO do núcleo)

A onda de choque da explosão não se inicia no

centro do núcleo que está colapsando.

Depois da explosão da SNII é deixado um

remanescente central que é um objeto muito

denso

ESTRELA DE NÊUTRONS

Uma estrela de nêutrons é muito massiva,

muito densa, mas pequena em tamanho

o tamanho ~ 20 km

(asteróide, cidade) e

massa > massa do Sol.

Densidade 1017

-1018

kg/m3

(1 bilhão mais denso do

que uma anã branca)

Força gravitacional enorme!!!

Uma pessoa que pesa 70 kg na Terra pesará

numa estrela de nêutrons ~1 milhão de toneladas

PROPRIEDADES

1) Uma estrela de nêutrons rota muito rápido

conservação de momentum angular (L)

L massa velocidade de rotação raio2

O núcleo de uma

estrela tem uma

velocidade inicial de

rotação.

A medida que ele

encolhe, a velocidade

de rotação fica maior,

já que a massa se

conserva.

PROPRIEDADES

2) Uma estrela de nêutrons possui um intenso

campo magnético

O campo magnético inicial é comprimido a

medida que a estrela encolhe. As linhas de

campo ficam muito próximas umas as outras,

aumentando a densidade do campo magnético.

Campo magnético ~ trilhão de

vezes maior do que o da Terra

Evolução:

após uns poucos milhões de anos, a medida

que a estrela de nêutrons vai irradiando sua

energia para o espaço (perda de energia), sua

velocidade de rotação e campo magnético

vão diminuindo.

Uma remanescente central de SNII consiste

de um núcleo formado por nêutrons, com

rotação altíssima, extremamente denso e com

campo magnético muito forte.

PROVA DA EXISTÊNCIA DE

ESTRELAS DE NÊUTRONS

Jocelyn Bell e Tony Hewish (universidade de

Cambridge, 1967) descobriram com

observações em rádio uma fonte que mandava

pulsos a cada ~ 1.3 segundos. A fonte ficava na

direção da constelação de Vela.

O pulso de alguns são tão estáveis que podem ser

usados como relógios de altíssima precisão.

Chamaram tais objetos de PULSARES.

Hewish demonstrou que o único mecanismo

físico consistente com tais pulsações precisas é

uma fonte de radiação pequena e que rota.

Somente rotação causa o alto grau de

regularidade nos pulsos observados.

Somente algum tempo depois estes pulsos

foram ligados a estrela de nêutrons.

(prêmio nobel de física 1974 para Hewish)

Somente um pequeno objeto

rotante poderia gerar pulsos

tão estreitos em perfil.

Atualmente há mais de 500

pulsares conhecidos na

nossa Galáxia

EXPLICAÇÃO DOS PULSOS

MODELO DE FAROL

Um forte campo magnético

em rotação funciona como

um GERADOR.

Gera um campo elétrico

muito grande na

superfície da estrela, que

retira partículas

carregadas (prótons e

elétrons)

EXPLICAÇÃO DOS PULSOS

MODELO DE FAROL

As partículas são aceleradas

a extremamente altas

energias ao longo das linhas

do campo magnético,

emitindo jatos de radiação

quando encontram a

superfície da estrela nos

seus pólos magnéticos

HOT SPOTS.

EXPLICAÇÃO DOS PULSOS

MODELO DE FAROL

O EIXO DO CAMPO

MAGNÉTICO NÃO É ALINHADO

COM O EIXO DE ROTAÇÃO!!!

Faz com que o jato do pulsar

cruze a nossa linha de visada

uma vez a cada período de

rotação.

Eixo de rotação

Eixo magnético

Muitos pulsares emitem seus pulsos na forma no

comprimento de onda de rádio, mas alguns emitem

também no visível, raios-X e raios-.

disco e jatos

melhores vistos

em raios-X.

Prova que um

pulsar (ou estrela

de nêutrons) é o

remanescente

central da evolução

de uma estrela

massiva .

Pulsar observado no centro

da remanescente da

supernova do Caranguejo

O período do pulsar do Caranguejo está

decrescendo 310-8

segundos a cada dia,

por causa da perda de energia luminosa

Pulsar rota mais lentamente com a idade

Existe um limite máximo para o período dos

pulsares de ~ 4 segundos. O pulsar do Caranguejo

chegará neste limite em 10 milhões de anos.

AS ESTRELAS DE NÊUTRONS SE TORNAM

INVISÍVEIS COM O TEMPO.

Toda as remanescentes de supernova

contém pulsares???

Não.

1) Algumas são SNIa.

2) Quando a massa da progenitora > 25 M,

produz buracos negros como remanescente

central

Consegue-se observar todos os pulsares

associados com a explosão de uma estrela

de 8 < M < 25 M

???

Não.

1. Alguns pulsares não estão orientados

corretamente para que se possa vê-los.

2. Todas as estrelas de nêutrons mais

velhas do que 10 milhões de anos já

ultrapassaram o limite de 4 segundos.

BURACOS NEGROS

O núcleo de uma estrela massiva pode ser

comprimido de modo que atinja densidades

maiores do que uma estrela de nêutrons???

Siiiimmm!!! Se o núcleo denso de nêutrons

atingir um certo limite de massa, a pressão

exercida pelos nêutrons para impedir o

colapso gravitacional não é mais suficiente.

Isso teoricamente acontece com estrelas

progenitoras > 25 M

A medida que o núcleo contrai, a atração

gravitacional na sua vizinhança é tão intensa

que mesmo a luz não consegue escapar.

O núcleo enormemente denso resultante não

emite radiação ou qualquer outro tipo de

informação.

Remanescente central massivo colapsa nele

mesmo e desaparece para seeempreee!!!

BURACO NEGRO

Mais tal campo gravitacional tão intenso não

pode ser mais explicado pela mecânica

newtoniana...

Visão newtoniana sobra a gravidade:

todas as massas exercem uma força atrativa em

todas as outras massas e a intensidade da força

decresce com o quadrado da distância

1 2

2G

Gm mF

d

É uma boa descrição para a gravidade???

Sim, para campos gravitacionais relativamente fracos!

É perfeita para explicar quase todos os movimentos dos

planetas e satélites e é excelente para se mandar missões a

Júpiter e outros planetas com uma precisão extraordinária.

TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL (TRE)

Einstein (1905)

Em 1887, Michelson e Morley demonstraram

através de vários experimentos que a velocidade

da luz é a mesma, independente de qualquer

referencial que ela for medida

Se uma bala é disparada de um carro em movimento o

observador mede a velocidade da bala como sendo

= Vcarro

+ Vbala

= (1000+100) km/h

Se uma nave que viaja a 0.1 c disparar um feixe

de luz, o observador externo mede a velocidade

do feixe de luz = c e não 1.1c!!!

Para uma velocidade pequena em relação a c

(velocidades não relativísticas) a mecânica

newtoniana é uma boa aproximação.

Mas quando a velocidade se aproxima de c

(velocidades relativísticas) a análise do

movimento deve ser feita usando a TRE.

O fato de c ser constante implica que as

medidas de tamanho e tempo são diferentes

em diferentes referenciais.

A medida que a velocidade aumenta, o relógio

atrasa.

DILATAÇÃO DO TEMPO

2

21

tV

c

Tempo medido de

por observador em

repousoTempo medido por um

observador em movimento

Se vc comparar o seu relógio com o de alguém que está em um

foguete que se move a uma velocidade de 98% da luz, o que vc

vê? Um fenômeno que dura 1 s pelo seu relógio quanto tempo

dura no relógio da outra pessoa???

Aplicando a fórmula : t ~ 5 s

Logo o tempo dilata por um fator 5 para o cara do foquete.

2

21

VL

c

O comprimento de um dado objeto diminui com o

aumento da velocidade

CONTRAÇÃO DO ESPAÇO

comprimento medido

por um observador em

movimento

comprimento medido por

um observador em repouso

O que acontece com o tamanho de um foguete que se move a

uma velocidade de 98% a da luz???

Ele aparenta se contrair até 80% de seu tamanho original em

repouso.

A MASSA também varia com a velocidade. Ela vai

aumentar da mesma forma que o tempo aumenta!

2

21

Mm

V

c

Massa medida por

um observador em

repousoMassa medida por

um observador em

movimento

Então que um objeto vai chegando mais perto de

c, o combustível necessário para fazer o corpo

acelerar é cada vez maior a medida que a massa

aumenta tendendo ao infinito...

O tempo também se dilata cada vez mais e

nunca se atinge último instante quando a

velocidade chega a c.

Impossível objetos com massa atingir ou exceder c.

Será que isso é verdade??

Siiiim!! Experiências em aceleradores com

partículas elementares se movendo a velocidades

próximas a c, constatou-se aumento de massa,

dilatação do tempo e contração do espaço.

Einstein aplicou estas mesmas idéias à gravidade e

deu uma interpretação diferente de uma simples

força que age sobre corpos com massa.

Esta interpretação reside nos efeitos da gravidade

sobre o espaço e o tempo.

TEORIA DA RELATIVIDADE GERAL (TRG)

Teoria geral da gravitação

Não postula uma força entre as massas e sim

postula que MASSA DISTORCE O ESPAÇO E O

TEMPO

Mais geral: o espaço e o tempo é distorcido pela

distribuição de matéria e energia.

Os planetas orbitam o Sol não devido a existência

de uma força central e sim porque eles estão

movendo-se em linhas retas num espaço curvo.

Isso acontece não só com objetos que possuem

massa, mas também com os fótons (luz). Fótons

também seguem linhas retas num espaço curvo.

A luz que passa perto de um objeto massivo vai ser

defletida (desviada)

Einstein previu que a posição de uma estrela cuja

luz fosse vista através da borda do sol deveria

defletir cerca de 1.75”.

Teste realizado durante o eclipse do Sol observado em Sobral no Ceará

em 1919. Pesquisadores liderados pelo famoso Sir Arthur Eddington,

mediram a posição de uma estrela cujos raios passaram próximo à

superfície solar.

Conhecendo a posição real da estrela, observaram que sua imagem

aparentava estar em outra posição, justamente pela deflexão dos seus

raios de luz. E a quantidade da deflexão batia com o que Einstein previu.

Como um objeto como um buraco negro se

comporta?

Considerando a velocidade de escape de um objeto

do campo gravitacional da Terra.

escapev

M

R

A vescape

da Terra = 11 km/s

Se diminuirmos o raio da Terra por um fator 4 a

velocidade de escape dobrará (=22 km/s)

escapev

M

R

Se diminuirmos o raio da Terra por um fator 1000

(raio um pouquinho maior do que 1 km) a

velocidade de escape será de 630 km/s.

Se conseguirmos contrair a Terra até o tamanho de

uma UVA (1 cm) a velocidade de escape será c!

Como vimos pela TRG os fótons são afetados pela

presença de um objeto massivo, então se a

velocidade de escape é ≥ c este objeto não será

mais observado uma vez que nenhuma informação

pode escapar dele.

THIS IS A BLACK HOLE!!!

Existe um nome para o raio crítico para o qual uma

dada massa m tem uma velocidade de escape = c

é o chamado raio de Schwarzschild ou Horizonte

de Evento

2

2s

Gmr

c

Em uma estrela de nêutrons a força que “segura” a

gravidade é a pressão exercida pelos próprios

nêutrons.

Existe um limite para a massa que pode ser

“segurada” pelos nêutrons = 2 a 3 M.

Se a massa do núcleo de uma estrela massiva

for ≥ 3 M

, o núcleo vai colapsar e contrair a

um raio muitíssimo pequeno.

O núcleo central de uma estrela massiva pode ser um

buraco negro de m=3 M

e raio de rs

Schwarzschild

de 8.9 km.

2

2s

Gmr

c

O que aconteceria com a Terra se o Sol colapsasse

em um buraco negro? Ela desapareceria??

Não, a gravidade continuaria a mesma na distância

da Terra.

Só acontece algo se o planeta passar

muito próximo ao raio de Schwarzschild

Um objeto passando muito

próximo ao rs

sofrerá forças de

marés extremas, sendo muito

comprimido e achatado e

finalmente sendo dragado pelo

BN.

2

2s

Gmr

c

O que acontece quando o buraco negro

absorve alguma massa??

Se m aumenta o horizonte de eventos aumenta.

O horizonte de eventos é alguma barreira física??

Não, é simplesmente um raio a partir do qual os

fótons não podem escapar...

Quanto maior a massa que se acumula num

dado ponto, maior vai ser a curvatura do

espaço-tempo. As flechas azuis significam

possibilidades de troca de informação.

Em (d) o espaço é tão curvo que não possibilita

mais nenhuma troca de informação com o

exterior e vice-versa.

Existe alguma razão para acreditarmos que

buracos negros existem???

Sim, os melhores candidatos podem ser

observados num sistema binário de estrelas

que emitem em raios-X. Exemplo: Cygnus X-1

Estrela + brilhante é o membro

de um sistema binário cuja

companheira é um outro objeto

chamado Cygnus X-1.

Cygnus X-1 só é

observada em raios-X.

A estrela mais brilhante de mais alta massa deve

estar transferindo massa para a companheira em

Cygnus-X1.

A radiação emitida pela

matéria que está sendo

transferida para um

objeto central

Cygnus=X1 indica que

este objeto é um bom

candidato a BN.

Por exemplo, se o objeto central fosse uma anã

branca, a temperatura do gás quando a matéria

batesse na superfície da anã branca seria tal que a

radiação seria em UV.

Há também candidatos a BN em centros de galáxias.

Existem estrelas de nêutrons?? Sim, com certeza

Existem buracos negros?? Muito provavelmente.