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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.