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Cientistas recriam plasma que existiu durante o Big Bang (e pode explicar explosão de estrelas gigantes)

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NASA

Duas estrelas de neutrões colidem num enorme big bang

Investigadores no acelerador de partículas recriam plasma de quarks e gluões existentes durante o Big Bang. A descoberta pode explicar as supernovas de estrelas gigantes.

Os blocos de construção de átomos, protões e neutrões são compostos por uma coleção de partículas chamadas quarks e gluões. No entanto, após o Big Bang, o Universo era muito energético e demasiado denso para os quarks e os gluões formarem interações estáveis.

Em alternativa, o Universo foi preenchido com uma forma de matéria chamada “plasma de quarks e gluões”, onde as partículas poderiam interagir umas com as outras.

Agora, investigadores descobriram como recriar esse plasma de quarks e gluões – inexistente desde o início do Universo – quebrando átomos pesados.

A investigação foi publicada a 22 de outubro na revista Nature Astronomy, onde o grupo de astrofísicos sugere ainda que as maiores estrelas do Universo também formam algo como o plasma de quarks e gluões quando explodem. Esta teoria está a ser usada para explicar o porquê de existirem tantas supernovas com aparências tão distintas.

Alguns modelos físicos de explosões estelares têm conseguido explicar suficientemente bem aquilo que detetamos no Universo – ajudaram a entender a quantidade de massa necessária antes de uma estrela explodir e descreveram as diferenças entre várias classes de supernovas.

Contudo, estes modelos físicos de explosões estelares deixam de explicar as explosões quando se tratam de estrelas maiores, como por exemplo no caso de supergigantes azuis que têm dezenas de vezes a massa do Sol.

Estas supergigantes formam um buraco negro com tanta rapidez que a onda de choque do colapso da estrela não chega a nenhum lugar. Embora haja evidências de que isso aconteça, os cientistas também já assistiram a algumas explosões de grandes estrelas.

Na verdade, segundo o ArsTechnica, o ser humano já assistiu a alguns tipos de supernovas causadas pela morte de estrelas massivas – o que nos diz que o problema está nos modelos utilizados.

Novo estudo

O novo estudo sugere que o problema é a maneira como os modelos atuais lidam com o preciso momento do instante da destruição de uma estrela.

Esse momento é onde os principais eventos acontecem dentro de uma fração de segundo enquanto as reações de fusão de uma estrela param de produzir energia suficiente para equilibrar a sua atração gravitacional.

Nesse preciso momento, o núcleo rico em ferro da estrela colapsa pela atração da força gravitacional, esmagando os seus átomos num estado extremamente quente e denso – suficientemente quente para, talvez, produzir plasma de quarks e gluões.

Apesar da teoria avançar com essa proposta, é difícil saber ao certo o que realmente acontece. Os cientistas produziram o plasma esmagando átomos muito energéticos de ouro ou de chumbo no acelerador de partículas.

Durante a colisão, as fronteiras entre protões e neutrões dissolvem-se por breves momentos antes de a colisão se dissipar no espaço circundante, criando um spray de partículas bem definidas.

Numa supernova, as massas solares de material podem atingir densidades de mais de 2,6×1014 gramas por centímetro cúbico (a densidade do chumbo é de 11 gramas/cm3).

Depois desse momento, os cientistas desconhecem aquilo que acontece ao certo, apesar de o trabalho teórico sugerir que essa elevada pressão cria algo a que chamam matéria quark, relacionado com o plasma de quarks e gluões.

As energias e a pressão exata da transição para essa fase ainda não são claras e os cientistas acreditam ser possível uma mistura de fases em algumas circunstâncias.

Com essas conclusões em vista, os investigadores criaram um modelo mais geral de plasma de quarks e gluões e incluíram uma transição de fase entre a matéria normal e a fase de plasma. Por si só, este novo modelo poderia ter uma ampla variedade de comportamentos, dependendo dos valores escolhidos para alguns dos seus parâmetros.

Assim, os cientistas descobriram formas de rejeitar grandes intervalos de parâmetros – por exemplo, os cientistas não observam no cosmos estrelas de neutrões com muito mais do que duas massas solares de material, portanto, qualquer versão do modelo que as produziu foi descartada.

O mesmo se aplicou a casos onde o modelo, durante a transição de fase, previu uma velocidade de som superior à velocidade da luz.

O modelo também teve de ser consistente com os detalhes de pequenas coisas como as colisões de partículas iónicas pesadas e o comportamento das duas estrelas de neutrões que os cientistas observaram em colisão.

Com as estratégias bem definidas, a equipa construiu um modelo de uma estrela com uma composição equivalente à do Sol, mas com 50 vezes a sua massa.

Quando a quantidade de ferro do núcleo se aproximou de duas massas solares, o núcleo começou a desmoronar e, em seguida, parte dele saltou para fora, numa onda de choque semelhante às criadas na formação de uma estrela de neutrões.

Contudo, essa onda de choque é travada quando a gravidade da estrela de neutrões a puxa para o seu núcleo – e é neste preciso momento em que as supernovas param de explodir.

No novo modelo, o núcleo da estrela de neutrões passa por uma transição de fase de neutrões individuais para um material de quarks e gluões. A estrela de neutrões encolhe repentinamente, o que produz uma segunda onda de choque, expelida à velocidade da luz, soprando o resto da estrela – tudo isto acontece em cerca de 10 segundos.

O resultado final é uma estrela de neutrões inferior a duas massas solares, sendo a maior parte desse material uma forma exótica de matéria de quarks e gluões não ligados.

Várias supernovas

O novo modelo explica vários tipos de supernovas – se a estrela for instável e explodir muitas das suas camadas externas antes de explodir, então o material ejetado pela supernova irá fazer ricochete e criar um evento extremamente brilhante. Caso a estrela esteja intacta antes de explodir, criará uma evento relativamente fraco.

Sob certas condições, a matéria pode colidir com a estrela de neutrões com rapidez suficiente para superar ambas as ondas de choque e colapsá-la num buraco negro – o modelo previu isso com uma estrela de 25 massas solares.

Todas as evidências criaram uma explicação viável para a maneira como as maiores estrelas explodem.

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