aula 13: estrelas binárias, objetos compactos i prof ...resolvida vemos linhas duplas no espectro...

Ensino de Astronomia no Grande ABC

Aula 13: Estrelas Binárias, Objetos Compactos I

Prof. Pieter [email protected]

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https://www.facebook.com/pages/Ensino-de-Astronomia-na-UFABC/387315644700222

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Estrelas Binárias

São estrelas que ocorrem em paresgravitacionalmente ligados, girandoem torno do centro de massa comum.

Binárias são muito frequentes, tantoque uma frase famosa entreastrônomos é “Três em cada duasestrelas é uma binária”.

Existem sistemas de mais de duasestrelas também, que não vamos tratar.

Estrelas Binárias

Podemos classificar as Estrelas Binárias pela maneira, que elas se apresentam para um observador na Terra:

- 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;

- Binárias eclipsantes: quando a órbita do sistema está de perfil para nós, de forma que as estrelas eclipsam uma a outra.

Estrelas Binárias

Como detectá-las?

A observação direta é muitas vezes difícil, por que as duas estrelas não podem ser resolvidas e/ou uma brilha muito mais fracamente que aoutra.Também há o perigo deconfusão com duplos óticos(coincidência de duas estrelasindepentes na mesma direçãono céu).

duplo ótico

Estrelas Binárias

Pelo movimento próprio(o movimento aparente no céu)também é difícil, já que estenormalmente é muito pequenoe lento.

Exemplo:A separação angular entre Sirius A e B varia entre 3'' e 11'', e o período orbital é da ordem de 50 anos.

Quando dá, até se vemos só uma das estrelas (caso de Sirius A na descoberta de Sirius B), os detalhes da(s) órbita(s) no céu (período, separação angular, etc.) ajudam para calcular as massas e órbitas das duas estrelas.

movimento próprio de Sirius A e B

Estrelas Binárias

Pelo movimento radial(na direção da linha devisada) aproveitando oefeito Doppler atuandon(as linhas d)os espectrosdas duas estrelas.

Quanto mais paraleloé o plano orbital emrelação à linha de visada(quanto mais “edge-on” é o plano orbital), tanto melhor.

Se ele é perpendicular à linha de visada (“face-on”), não dá pra observar o efeito Doppler.

Estrelas Binárias

Numa binária não-resolvida vemoslinhas duplas noespectro composto.

A variação no tempodas velocidades radiais nos dá limites inferiores para as massas das estrelas.Conhecendo a inclinação do plano orbital dá pra encontrar as massas.

Espectro de uma binária em dois momentos diferentes

Estrelas Binárias

Quando o sistema binárioé exatamente edge-on(a linha de visadacoincide com o planoorbital) temos umabinária eclipsante, epodemos usar o efeitoDoppler para calcular asmassas das estrelas.

Além disso, a curva deluz do sistema dá dicassobre os tamanhos.

Estrelas Binárias

Às vezes, métodos de determinaçãoda massas/órbitas podem sercombinados.

Os mesmos métodos também sãousados para detectar exoplanetas,planetas fora do Sistema Solar.

Pontos Lagrangianos

Tratando de Binárias pode ser útilusar coordenadas que giram juntocom as estrelas, tal que as estrelasficam paradas neste sistema.

Num tal sistema há pontos que se desta-cam, chamados pontos lagrangianos.

São pontos de equilíbrio, q. d. uma massa pequena encontrando-se em um destes pontos (e girando juntocom o sistema binário) permanece lá.

Em outras palavras: Os pontos lagrangianos são posições nas quais a força gravitacional exercida pelas duas estrelas sobre uma pequena massa iguala a força necessária para que esta se mova com o sistema.

Pontos Lagrangianos

São cinco pontos, todos no planoorbital das estrelas:L

1, L

2 e L

3 no eixo que liga as

estrelas, em todos os três a massa fica em equilíbrio instável, eL

4 e L

5, onde o equilíbrio é estável.

Exemplos:- Os Asteróides Gregos e Troianos se encontram nos pontosL

4 e L

5 do sistema Sol-Júpiter;

- O telescópio espacial James Webb Space Telescope operará em L

2 do sistema Sol-Terra;

- O ponto lagrangiano entre as duas estrelas se chama ponto lagrangiano interno L

1.

Pontos Lagrangianos

O fato de que L1 é um ponto de

equilíbrio instável quer dizer, queuma pequena perturbação numamassa encontrando-se lá, faz esta“cair” rumo uma das estrelas.

Existe uma superfície em torno decada estrela chamada Lóbulo de Rocheda estrela. Ela passa por L

1, e

quando uma estrela expande atéencher sua parte do Lóbulo deRoche, ela pode transferirmaterial pra outra estrela atravésdo ponto lagrangiano interno L

1.

Discos de Acreção

O material transferida de uma estrelapra outra não cai imediatamente emcima desta.

Por ter momento angular em relaçãoà nova estrela, primeiro o materialforma um disco de acreção, pelo mesmo mecanismo que nos anéis de Saturno, ou em discos protoestelares.

A viscosidade do material causa fricção entre os constituentes do disco: As partes interiores do disco perdem energia/momento angular, e migram para órbitas mais internas ainda (talvez no final caindo em cima da estrela), e as partes exteriores migram para fora.=> O disco fica muito extenso.

Discos de Acreção

Discos de acreção podem serdetectados através dos seusespectros típicos, especialmenteem binárias eclipsantes quandoa segunda estrela eclipsa aluz da primeira.

Como a temperatura variacontinuamente ao longo dodisco, o espectro é asobreposição de espectros de Corpo Negrode uma faixa de temperaturas, resultando em espectros bem característicos.

Estágios Finais da Evolução Estelar

Mas agora vamos pro verdadeiro assunto da aula:

Objetos Compactos


Lembrete: Uma Estrela é uma bola massiva e brilhante de gás quente, a fonte de energia principal sendo a fusão nuclear (estável) no seu interior.

- A vida (incl. pré-natal e pós-mortem) de uma estrela é uma batalha constante entre a gravitação, que tenta contrair a estrela, e a pressão interna (p. e. térmica, de radiação, ...).

- O destino de uma estrela é determinado pela sua massa.

- Quanto maior é a massa da estrela, tanto maior são densidade, pressão e temperatura no interior,=> tanto mais rápidamente decorre a sua evolução (incl. a sua evolução proto-estelar => aula anterior), e tanto mais elementos podem ser formados no seu caroço

M < 0.072 M☉:

Tcaroço

< 107 K => não ocorre fusão nuclear estável

=> “estrela frustrada”, Anã Marrom, “Jupiter”

M > ~150 M☉:

Fusão já começa antes da relaxação da estrela=> Estrela se desfaz antes de se formar

0.072 M☉ < M < ~150 M

☉:

Tcaroço

> 107 K => ignição do H => fusão nuclear

=> Estrela comum, “estrela anã” como o Sol- 0.072 M

☉ < M < ~8 M

☉: estrelas de baixa massa

- ~8 M☉ < M < ~150 M

☉: estrelas de alta massa

! Os limites entre as faixas de massa podem diferir muito de acordo com a fonte consultada. Alguns astrônomos ainda usam uma faixa de estrelas de massa intermediária.

Evolução Estelar


No 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 (ou nada?)

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

Esta aula trata de Nebulosas Planetárias, Anãs Brancas, Supernovas e Estrelas de Nêutrons. Os Buracos Negros serão tratados nas próximas duas aulas.

Lembrete: O último Estágio de uma estrela de baixa massa

Gigante do RamoAssintótico

- contração do caroço- queima de He em camada acima- queima de H em camada acima desta- envelope expande e resfria, similar ao que acontece numa Gigante Vermelha.

A Morte de uma Estrela de Massa Baixa

Camada de queima de H

Caroço de carbono

Camada de queima de Hélio

Camadas exteriores em

expan-são●

Lembrete: quando uma estrela de baixa massa (< 8 M

☉) morre, ela expele as suas

camadas exteriores, que passam a se chamar Nebulosas Planetárias.

São entre os objetos mais bonitos observados.

Este envelope ejetado consiste de gás ionizado. Os íons são excitados pela radiação UV da Anã Branca central, e quando recaem para o estado fundamental podem emitir luz visível (igual como em regiões H II, => aula sobre formação estelar), dando a elas a sua aparência.

Nebulosas Planetárias

As partes brilhando emvermelho são devidasa hidrogênio e nitrogênioionizados, e as partesverdes-azuladas, aoxigênio, e talvez neônio.

em pequenos telescópios estas nebulosaspodem ter aparência de planetas, o que deuo nome a estes objetos (mas eles têm nadaa ver com planetas).

Após uns 50'000 anos se misturam com omeio interestelar.

Nebulosas Planetárias

Anãs Brancas

O que sobra da estrela é chamadoAnã Branca, basicamente o caroço nue “morto” (não mais fazendo fusãonuclear) da estrela.

No ótico, Anãs Brancas são bem menosbrilhantes que estrelas normais, porserem muito menores.Como até faz pouco eram os núcleosquentes de estrelas, elas frequente-mente são mais quentes que estrelasnormais (Sirius A: 9910 K, B: 27'000 K)e podem ser bem mais brilhantes noultravioleta ou nos raios X.

Sirius A (Estrela normal)

Sirius B (Anã Branca)

Sirius no ótico

Sirius em raios X

Sirius A

Sirius B

Anãs Brancas

Posições das Anãs Brancasno Diagrama H-R.

Luminosidades de10'000 a 100'000 vezesmenores que de estrelasda Sequência Principaldas mesmas temperaturas.

Tendo temperaturas de5000 K a 80'000 K,nem todas são brancas.

Anãs Brancas

Anãs Brancas são muitodensas, concentrandomassas da ordem daquelado Sol num volume daordem do da Terra.

Uma “colherzinha de AnãBranca” tem a massa de umcaminhão (> 16 toneladas)!A gravidade na superfície éda ordem de 470'000 vezes mais forte do que na Terra!

A pressão no centro de uma Anã Branca é alguns 1022 Pa, ~1.5 mio vezes a no centro da Terra, e a temperatura central é alguns 10 mi. K (queimaria H se ainda tivesse).

Anãs Brancas

Anãs Brancas podem ser classificadas pelos seus espectros (tipo espectral D = dwarf = anã):

- DA (~2/3 de todas): Só linhas de absorção de H- DB (8 %): só linhas de absorção de He, sem l. de H- DC (14 %): sem linhas, espectro contínuo- DQ: com sinais de carbono- DZ: com linhas de metais- e outros

As linhas são alargadas pela pressão alta nas superfícies.Estes espectros refletem a composição das camadas exteriores, a dos interiores pode ser bem diferente, por que os elementos mais pesados desceram pro interior nos primeiros 100 anos de vida da Anã, pela gravitação forte.

Anãs Brancas

Sendo o ex-núcleo de umaestrela, uma Anã Brancaconsiste quase inteiramentede um, dois ou três elementosionizados, o(s) último(s) queforam produzido(s) durantea vida da estrela, na maioriados casos carbono com oxi-gênio. Anãs Brancas de héliodevem existir também e deoxigênio com neônio e magnésio.

Após uns 5 bio. anos, os interiores começam a cristalizar.Muitas Anãs Brancas são, então, praticamente “diamantes gigantes” (mas muito mais densos e com estrutura cristalina diferente).

Anãs Brancas

Anãs Brancas de C-O são os caroços mortos de estrelas de até 4 M

☉,

e as de O-Ne-Mg, de estrelas de 4 a 8 M☉.

As estrelas que não chegam a queimar hélio,de < 0.5 M

☉, devem virar Anãs Brancas de hélio,

só que isto demora mais que a atual idade do Universo.As Anãs Brancas de Hélio observadas têm outra origem (estrelas com núcleos de hélio que perderam as camadas externas por interação com outras estrelas).

Anãs Brancas

Com estas densidades, a pressão “comum” (térmica) nãoconsegue evitar o colapso gravitacional da Anã Branca.

Quem evita isso é um novo tipo de pressão, consequência de um efeito quântico chamado princípio de exclusão de Pauli, que afirma que todos os elétrons de uma sistema devem se encontrar em “estados diferentes”.É o efeito que faz que, em átomos, os elétrons se distribuem em camadas.

No caso de uma Anã Branca, ele faz que:

Quanto mais elétrons temos, tanto maior é a energia dos mais energéticos destes, tanto maior é a velocidade máxima dos elétrons, tanto maior é a pressão que estes exercem.

Anãs Brancas

Esta pressão se chama pressão de degenerescência eletrônica.

Esta pressão não depende da temperatura!

Mas ela aumenta com o número de elétrons na Anã Branca, ou seja, ela aumenta com a massa.

Anãs Brancas

Mas o antagonista da pressão,a gravitação, também aumentacom a massa, e maisrapidamente, tal que:

Quanto maior é a massa daAnã Branca, tanto mais agravitação “vence” estapressão, tanto menor é otamanho.Na aproximação clássica (não-relativística):

Mwd

Vwd

= const.

Aumentando a massa, o raio da Anã Branca tende a zero, e a densidade, a infinito!

A relação raio-massa de Anãs Brancas

Anãs Brancas

Mas a partir de certa massa/densidade (~109 kg/m3),esta aproximação não valemais: Os elétrons alcançamvelocidades da ordem da daluz, e temos que levar emconta efeitos relativísticos.

Só que isto só piora a situação:No limite relativístico há, naverdade, menos pressão parasuportar a estrela que no limite não-relativístico, e o cálculo leva a um raio de zero já para uma massa finita, a massa para aquela os elétrons alcançam a velocidade da luz.

A relação raio-massa de Anãs Brancas

Anãs Brancas

Na verdade, é uma massa limite,a partir daquela nem a pressão dedegenerescência eletrônicaconsegue mais conter a gravidade.

Um físico da Índia chamadoChandrasekhar a calculou,em torno de 1.4 massas solares,hoje chamada delimite de Anã Branca oumassa de Chandrasekhar.

De fato, nunca foi observadauma Anã Branca com massamaior que este limite.

Subrahmanyan Chandrasekhar Prêmio Nobel 1983

Anãs Brancas

Com o tempo, AnãsBrancas irradiam suaenergia pro espaço eresfriam-se.

Os seus raios ficamconstantes, já que apressão de degenescen-cia eletrônica nãodepende da temperatura.

=> As suas temperaturasou luminosidades atuais dão uma dica quanto às suas idades.

Anãs Brancas

Modelos baseadosnas equações detransporte de energiano interior das AnãsBrancas conseguemcalcular a taxa deresfriamento /perda de energia.

Luminosidades de Anãs Brancas de massasdiferentes em função do tempo

Anãs Brancas

Já que temos umaidea da duração davida pre-Anã Brancadas estrelas de baixamassa, as idadesdas Anãs Brancasmais velhas são umamedida para as idadesdas primeiras estrelasde uma população.

=> Se encontrássemos um fim da sequencia 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.

Anãs Brancas

Este fim parece existir:

Ele indica que as primeirasestrelas de baixa massamorreram ~9 bio. anosatrás.Adicionando a isto a vidapre-Anã Branca destasestrelas chega-se aoresultado que o disco danossa Galáxia tem uns9.3 bio. anos de idade.

Função de luminosidade da Via Láctea

Anãs Brancas

Resumo daevolução doSol inclusivea sua faseAnã Branca.

Binárias com Anãs Brancas

Em binárias, naquelas uma dascomponentes é uma Anã Branca,podem acontecer coisasinteressantes:

- Se a outra estrela expande(p. e. por se tornar uma GiganteVermelha) até encher seu lóbulode Roche, material pode cair na superfície da Anã Branca, depois de uma passagem pelo disco de acreção.

Uma binária deste tipo se chama Variável Cataclísmica.

Binárias com Anãs Brancas

Por um tempinho, estematerial pode reacendera fusão nuclear(ciclo CNO) nasuperfície da AnãBranca.O sistema aumenta emluminosidade por um fa-tor 10 a 106, fenômenochamado Nova.

Novas podem se repetir.

Curva de luz de uma nova

Supernovas Ia

- Se a massa da Anã Branca al-cança a massa de Chandrasekhar,ela explode numa gigantescaexplosão chamada Supernovatipo Ia (SN Ia), por mecanismosainda não bem conhecidos, masque também involvem a reigniçãode fusões nucleares.(Carbono e oxigênio de quase a estrela inteira são transformadas em ferro e níquel numa reação de cadeia?)Por isto, elas são também chamadas de Supernovas termonucleares.

Elas enriquecem o meio interestelar com ferro e níquel.Além disso, nestes eventos de pressões e temperaturas extremas, elementos mais pesados que o ferro podem ser criados.

Supernovas Ia

A Luminosidade de uma Supernova Iaé 10 bilhões (1010) vezes aquela doSol, tão brilhante quanto uma galáxiainteira!

Por sempre ocorrer da mesma maneira(estrela do mesmo tipo ultrapassandoa mesma massa limite), Supernovas Iatêm sempre a mesma luminosidade(M

V = -19.3 ± 0.03).

Elas são, então, velas padrão e podem ser aproveitados para medir a distância até a galáxia onde elas ocorrem.

Supernovas Ia tiveram um papel importante na descoberta da Energia Escura (=> aulas sobre Cosmologia).

galáxia antes de umaSupernova

a mesma galáxia comSupernova

Supernovas Ia

O que acontece com a companheira?

Obviamente, a estrela companheira deve ser fortemente afetada pela Supernova do lado.

- Devem ser impactadas de minutos a horas após a explosão.

- Dependendo da sua natureza, parte do - ou o envelope inteiro é arrancado e vaporizado: - SP e subgigantes: perdem de 10 a 20% do envelope com velocidades de 180 a 320 km/s. - Gigantes Vermelhas: quase todo o envelope com v ~ 10-100 km/s.

- O que sobra possivelmente leva um chute e fica perambulando pelo espaço interestelar.

Supernovas Ia

Para muitos remanescentes de SN Ia existe nenhuma companheira próxima associada. Para outros, a companheira é controversa.

Exemplos:- Há uma estrela tipo G com alta velocidade (~130 km/s) próxima ao remanescente da SN observada em 1572 por Tycho (=> daqui a pouco), sujeito de debate, se ela era a companheira da Anã Brancaexplodida.

- Acredita-se ter visto radiação UVda companheira da SN 2012cgpoucos dias após a explosão,devida à onde de choque atingin-do-a, tido como primeira possívelevidência clara (mas indireta) da companheira de uma SN Ia.

SN 2012cg na sua galáxia, NGC 4424

E no caso de estrelasde alta massa?

A Morte de uma Estrela de Massa Alta

Queima de hidrogênio

Queima de hélio

Queima de oxigênio

Queima de carbono

Queima de silício

Caroço de ferro

Lembrete: O último Estágio de uma estrela de alta massa

Supergiganteestrutura decamadas

fases comventos fortes:

=> Origem dos elementos até ferro no Universo.


Colapso do Caroço

Quando o caroço de ferro de uma estrela de alta massa ultrapassa a massa de Chandrasekhar, o que acontece quando a densidade central é de ~5·1012 kg/m3, e a temperatura central, de ~7·109 K, a pressão de degenerescência eletrônica no caroço inerte de ferro não suporta mais a sua própria gravidade.O caroço começa a colapsar e se esquenta de novo.



Chegando em ~1010 K, o “trabalho” de milhões de anos é desfeito em pouco tempo (no caroço), e o ferro primeiro é fotodesintegrado em dois passos: Fe + γ → 13He + 4n

He + γ → 2p+ +2no que custa energia, acelerando o colapso.

Os prótons restantes capturam os elétrons restantes,que ajudavam com uma componente de pressão:p+ + e- → n + ν

e

Resultando em um colapso mais rápido ainda,do caroço, agora feito praticamente só de nêutrons.

Vale a pena lembrar que os processos fotodesintegração e captura de elétrons são endotérmicos, isto é, eles consomem energia e só podem acontecer em ambientes extremos, como um caroço estelar em colapso.

Em estrelas a baixo de 8 M☉, um novo tipo de pressão

para o calopso quando a densidade no núcleo atinge 8·1017 kg/m3, a pressão de degenerescência neutrônica, similar que a eletrônica.O caroço se torna uma Estrela de Nêutrons (=> jájá)

(Em estrelas a cima de 8 M☉, nada consegue parar o

colapso, provavelmente resultando em um Buraco Negro; => próximas aulas)


As camadas acima do caroço (as de queima de silício, oxigênio, neônio, carbono, etc.), que estavam caindo sobre este, são “rebatidas”, gerando uma onda de choque para fora.

parte deste material é fotodesintegrado no choque, o que para o choque dentro de~10 ms após uns200-300 km de propagação.

Supernovas de Colapso

Simulação de uma Supernova (MPA Garching)

Mas de trás vem um vento de neutrinos gerados na captura de elétrons no caroço, equivalendo a 1046 J!

Mesmo com 99 % deles atravessando o envelope sem interagir, o restante arrasta o envelope numa explosão gigantesca chamada Supernovatipo Ib, Ic ou II.



Os 99 % dos neutrinos que “passam reto” sãotantos, que alguns puderam ser detectados numa SN recente(SN 1987A, em breve nesta aula), apesar da natureza “quase indetectável” destas partículas.

Apesar de estarem no caminho certo, até agora nenhuma simulação conseguiu explodir uma Supernova!=> Trabalho pra frente.



Estas Supernovas enriquecem o meio interestelar com o C, O, Ne, Mg e Si das camadas do envelope.

Nestas SNs também, as temperaturas e densidades chegam a ser tão altas, que os elementos mais pesados do que Fe podem ser produzidos, o que explica a existência dos elementos além de ferro no Universo.



A Energia liberada em uma Supernova é de ~1046 J, daquela:- ~1 % vai pra energia cinética do ejecta- menos que 0.01 % é liberada como luz, mesmo assim, uma Supernova pode ter a luminosidade de uma galáxia inteira por um tempinho (~109 L

☉, até M

V ~ -18).

- O restante é neutrinos (aqueles 99 %).

Resumo: um esquema simplificado dos acontecimentos na morte de uma estrela de alta massa.


Classificação Espectral de Supernovas

Supernovas podem ser classificados pelaslinhas de absorção nos seus espectros:

- Tipo I: sem linhas de hidrogênio - Ia: contendo uma linha forte de 615 nm de silício ionizado, Si II, e outras linhas de Si, O, Mg, S, Ca e Fe ionizados... - Ib: com linhas fortes de hélio - Ic: sem linhas de hélio

- Tipo II: com linhas fortes de hidrogênio

Supernovas


As SN tipo Ib, Ic e II são causadaspelo colapso do caroço de estrelasde alta massa, as dos tipos Ib e Icperderam o envelope de hidrogênioantes de virarem Supernovaspor ventos estelares.

SN Ia são de outra origem(como já sabemos):A explosão de uma Anã Branca ultrapassando a massa limite para Anãs Brancas.

Supernovas


Exemplosdeespectrosde cadatipo

Supernovas


Os tipos de supernovastambém diferem nas suascurvas de luz(luminosidade em funçãodo tempo).

As tipo II ainda podem sersub-divididas nos tiposII-P (plateau) ou II-L (linear), dependendo da curva de luz.

As Ia são especialmente luminosas e sempre têm a mesma magnitude absoluta, o que é útil para determinar as distâncias até elas (e até as galáxias onde elas ocorrem).

Supernovas

plateau

Algumas Supernovas Históricas

SN 1006: evento registradona Europa, China, Japão,Egito e Iraque,

mV ~ -9,

deu pra ler de noite!

O remanescente ainda évisível com telescópios econtinua a expandir,hoje medindo ~20 pc.

SN 1006 foi umaSN tipo Ia.

Supernovas

Remanescente da SN 1006 em raio X


SN 1054: evento reportadona China, Japão, Coréia,Arábia e Europa (?).

Visível de dia.

O seu remanescente, aNebulosa do Caranguejo,tem 3 pc de extensão.

No seu centro vive umpulsar (=> jájá)

Nebulosa de Caranguejo

Supernovas


A Supernova descoberta porTycho Brahe em 1572 eraem conflito com a crença daépoca, de que o céu erainvariável (=> aulas Históriada Astronomia).

(tipo Ia)

Remanescenteda SN de Tycho em raios X

Supernovas


O aluno de Tycho Brahe,Johannes Kepler,também descobriu adele, em 1604.

É a SN mais recenteobservada na Via Láctea.Dela sobra oremanescente deCassiopeia, a 13 kpcdaqui.

(provável tipo Ia)

Nebulosa de Caranguejo

Supernovas


SN 1987A:última supernovavisível a olho nu,na Grande Nuvemde Magalhães(vizinha da ViaLáctea, a 50 kpc).

A Progenitoraera umasupergigante azulcom M = ~25 M

☉.

Supernovas


SN 1987A:É a SN melhor observada atéhoje.Entre outros foram detectadosos primeiros neutrinos de fonteoutra que o Sol.

Os neutrinos chegaram ~3 horasantes da luz, corroroborandoos modelos de Supernovas.

SN 1987A era uma tipo II-P.Até hoje não foi encontradoseu remanescente.

Supernovas

Alguns exemplos de Remanescentes de Supernovas

Supernovas

Em geral, são menos simétricos que Nebulosas Planetárias

Supernovas

Estrelas de Nêutrons

Lembrete: O que sobra do caroço da estrela explodida é um Buraco Negro (ou nada?), no caso de estrelas de > ~25 M

☉,

ou, no caso de estrelas entre ~8 e ~25 M☉,

uma Estrela de Nêutrons, objeto mais extremo ainda que uma Anã Branca.

A existência de Estrelas de Nêutrons foi sugerida em 1934 pelos astrônomos alemão e suiço Walter Baade e Fritz Zwicky, dois anos após a descoberta do nêutron por James Chadwick.

Baade e Zwicky também foram os criadores do termo Supernova.

Walter Baade

Fritz Zwicky


Estrelas de Nêutrons consistemna maior parte de nêutrons (lógico),formados “fusionando” os prótons eelétrons dos átomos do núcleo deuma estrela, quando este ultrapassoua massa de Chandrasekhar,e a pressão de degenerescênciaeletrônica não conseguia mais evitar isto.

Elas são basicamente núcleos atômicos gigantes,com uns 1057 nêutrons,mas por um fator > 1010 mais densosque núcleos atômicos normais (~2·1017 kg/m3).

crosta sólida,p+ e e-

interior, nêutrons superfuidos


O que agora evita o colapso total da estrela é uma pressão chamada pressão de degenerescência neutrônica (similar à eletrônica, mas com nêutrons), que consegue conter o colapso para objetos até uns 2.2 a 2.9 massas solares.

Igual como a pressão de degenerescência eletrônica, ela também independe da temperatura, tal que para Estrelas de Nêutrons também vale (na aproximação não-relativística):

Mns

Vns

= const.


Para Estrelas de Nêutrons também existe uma massa máxima, mais difícil de calcular que a massa de Chandrasekhar, e que depende da rotação da estrela.

Ela é de 2.2 massas solares para Estrelas de Nêutrons estáticas, e de 2.9 massas solares para Estrelas de Nêutrons em rotação rápida.

Acima destas massas não conhecemos nenhum mecanismo que ia conter o colapso total do objeto, resultando em um Buraco Negro (sem Supernova).


Estrelas de Nêutrons sãoainda muito mais densosque Anãs Brancas,concentrando massas deaté 2.9 massas solaresnuma bola comdiâmetro de ~10 km:

- Um pedacinho de materialde Estrela de Nêutronsna superfície da Terra cairia pro centro da Terra, furando um buraquinho no caminho.

- Visitando uma Estrela de Nêutrons você se desfaria em partículas sub-atômicas.


As propriedades de matérianestas densidades ainda não sãobem entendidas, mas sabemosque no interior os nêutrons seencontram em um estadosuperfluido e os prótons,num estado supercondutor.

A crosta interna deve consistirde núcleos pesados, nêutronslivres e elétrons relativísticose degenerados.

A crosta externa são na maiorparte núcleos pesados e elétrons.


A rotação rápida (=> em breve)e os prótons supercondutores dointerior causam fortes camposmagnéticos, de 107 T a 1010 T(Estrelas de Nêutrons comuns)ou 1011 T (Magnetares).

Pelos polos deste campomagnético saem jatosde radiação energética(p.e. raios X).

interpretação artística de umaEstrela de Nêutrons

outra


BE

Os elétrons emitidospela Estrela de Nêutronsfazem caminhoshelicoidais em torno daslinhas de campo emitindoradiação na direção doseu movimento, devidoaos seus movimentoscurvados, e altamentepolarizada chamadaradiação síncrotron seela é ~perpendicular àslinhas do campo, ouradiação de curvatura, se ela é ~paralela às linhas do campo.

Ela leva um pouco da energia e do momento angular da Estrela de Nêutrons junto.


O espectro daradiação síncrotron ébem característicoe pode facilmenteser separada daradiação térmica daEstrela de Nêutrons.

Ele pode se estenderdas ondas rádio atéos raios gama.


A temperatura no interior de uma Estrela de Nêutrons é inicialmente ~1011 K, mas cai dentro de um dia para ~109 K (perda de energia por um processo chamado processo URCA: n → p+ + e- + ν

e / p+ + e-→n + ν

e; Os núcleons

alternam entre n e p+, emitindo e absorvindo elétrons e pro-duzindo grandes números de neutrinos e anti-neutrinos),

e em poucos centenas de anos para ~108 K.

Depois, a Estrela de Nêutrons se resfria a uma taxa mais moderada, e a temperatura na superfície é da ordem de1 mio. K.

O pico da radiação de um corpo desta temperatura se encontra nos raios X.


Por isto é mais fácil identificarEstrelas de Nêutrons olhandopara a radiação nos raios X.

em baixo: Os restos de umasupernova observada peloschineses em 386 nos raios X.

O espectro de uma Estrela de Nêutrons


Como foram descobertas as Estrelas deNêutrons?

Em 1967, uma estudante de graduação cha-mada Susan Jocelyn Bell encontrou uma fonteestranha de raios rádio na Nebulosa Cygnus,“piscando” a cada 1,337301 s.

Como o sinal era extremamente regular,ela e seu patrão de tese acreditavam quevinha de uma outra civilização.Se falou de “LGM” (Little Green Men).Mas logo ela achou outro objeto similar,em outra região do céu, tornando ahipótese “LGM” muito improvável.

Jocelyn Bell


Uma explicação mais aceita hoje é que se tratade uma Estrela de Nêutrons girando em tornode um eixo, outro que o eixoda campo magnético, tal que ojato de radiação “varre” a Terraa cada 1,337 s.

Uma Estrela de Nêutrons quefaz isto foi chamada Pulsar.

Foram descobertas mais de 1500 outros pulsares desde então, maioria com períodos de 0.25 s a 2 s, mas alguns pulsando muito rapidamente.O pulsar da Nebulosa do Caranguejo pulsa a cada 33 ms.


O patrão de tese da Jocelyn Bell, Antony Hewish e um colaborador, Martin Ryle, ganharam por esta descoberta o prêmio Nobel em 1974, mas estranhamente a própria Jocelyn Bell, não.

Por isto, às vezes, chamam este prêmio de 1974 de “No-Bell”.

Desde então, Jocelyn foi “re-compensada” com inúmeros outros prêmios:J. Robert Oppenheimer Memorial Prize (1978), Beatrice M. Tinsley Prize (1986), Herschel Medal (1989), Michael Faraday Prize (2010), Royal Medal (2015), Grande Médaille (2018), Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics (2018), ...

Jocelyn Bell

AntonyHewish

MartinRyle


A Nebulosa do Caranguejo durante – e entre pulsos


Só objetos muito pequenospodem girar tão rapidamente(senão se desfariam pela“força centrifugal”).

A rotação rápida surge na hora dacontração da estrela pelo mesmoefeito que faz uma bailarina que”encolhe” os barços girar maisrapidamente, a conservação domomento angular.

Juntando a isto o fato, de que os Pulsares se encontram em Nebulosas “pós-Supernovas”, deve se tratar de Estrelas de Nêutrons.


Outra grandeza conservada nacontração é o fluxo magnéticoatravés da superfície, isto é,o campo magnético somadosobre a superfície,já que as linhas do campo são“arrastadas” pela superfícieda estrela em colapso.

=> O campo magnético nasuperfície também aumentahorrores, chegando em valoresda ordem de 1010 T,uns 14 ordens de magnitudemais forte que o da Terra.

interpretação artística de umaEstrela de Nêutrons

outra


Em alguns casos o campo magnético chega em ser muito forte,até 1011 T, por motivos não muito bem compreendidos. Uma Estrela de Néutrons com um campo desta ordem é chamada Magnetar.

Um possível cenário de formação de um Magnetar.


Pulsaresmovem-semuito maisrapidamenteno espaçoque estrelas“normais”, comvelocidades deaté ~1000 km/s.Isso éconsistentecom pulsares nascendo em Supernovas, já que estes eventos não devem ter uma simetria perfeitamente esférica. O resultado é que o Pulsar pode receber um chute.


O período de umPulsar aumentagradualmente com otempo, comdP/dt da ordem de 10-15.Isto corresponde aosenergia e momentoangular perdidos pelaradiação dos jatos.


Em intervalos de tempoirregulares aconteceum “glitch”, pequenaredução repentina doperíodo, deΔP/P ≈ 10-6 a 10-8,provavelmenteo resultado de“reajustes” (terremotos)da crosta, que fazemesta se distribuir umpouco mais pro interior.


A interação de materialexpulso por Pulsares nadireção equatorial, oudos seus jatos com suaprópria Nebulosatambém pode causarradiação que às vezespode ser observada.

Esta interação tende aacelerar a expansão daNebulosa.


Observando os arredoresdo Pulsar por váriosmeses, pode-se ver apropagação da frentede choque dos jatosna Nebulosa.

A Nebulosa de Vela ao longo de um ano e meio

Binárias com Estrelas de Nêutrons

Igual como Anãs Brancas,Estrelas de Nêutrons tambémpodem fazer parte desistemas binários, que é o casopra maioria dos Pulsares demilissegundos.

Nestes sistemas podemocorrer fenômenos similaresàs Novas, asErupções de Raio X,liberando até 100'000 vezes apotência do Sol porpoucos segundos(erupções de Raio X de longa duração).

Curva de luz de uma erupção de raio X

Binárias com Estrelas de Nêutrons

Sistemas de duas Estrelas de Nêutrons

Acredita-se que binárias deduas Estrelas de Nêutronsterminam na fusão das duas,formando uma Estrela deNêutrons de maior massa ouum Buraco Negro,acompanhado por umaerupção de raios gama(ou uma erupção de Raio X decurta duração).

As ondas gravitacionais geradasem vários destes eventos foram detectadas recentemente pelo “telescópio” de ondas gravitacionais LIGO (=> aula Telescópios)

Ensino de Astronomia no Grande ABC

FIMB. W. Carroll & D. A. Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics (2nd editon), editora Pearson / Addison Wesley

“Do que são feitas as estrelas de nêutrons?” – Laura Paulucci (UFABC), 28/08/2014:https://www.youtube.com/watch?v=hyq3GmIBSxw

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

aula 13: estrelas binárias, objetos compactos i prof ...resolvida vemos linhas duplas no espectro...

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