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Dos quarks às estrelas compactas...

Estrelas de Nêutrons e Pulsares. Dos quarks às estrelas compactas... . César Vasconcellos. Estrelas de Nêutrons e Pulsares. Das estrelas compactas aos quarks... . “Cinzas” de estrelas luminosas. 1.Novos Estados da Matéria no Universo. 2.Formação e Evolução Estelar. 3.Propriedades.

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Presentation Transcript

  1. Estrelas de Nêutrons e Pulsares Dos quarks às estrelas compactas... César Vasconcellos

  2. Estrelas de Nêutrons e Pulsares Das estrelas compactas aos quarks... “Cinzas” de estrelas luminosas... 1.Novos Estados da Matéria no Universo. 2.Formação e Evolução Estelar. 3.Propriedades. 4.Estrelas de Nêutrons. 5.Pulsares, Estrelas de Nêutrons em Rotação. 6.Composição. 7.Modelos Relativísticos Nucleares. 8.Matéria Hadrônica Densa. Matéria Nuclear Infinita. 9.Plasma Quark-Glúon Desdobramento, Iberê Camargo César Vasconcellos

  3. 1. Novos Estados da Matéria no Universo César Vasconcellos

  4. BBC CNN SPACE César Vasconcellos

  5. César Vasconcellos

  6. César Vasconcellos

  7. 2. Formação e Evolução Estelar Estrelas formam-se a partir de uma gigantesca nuvem, composta basicamente por hidrogênio molecular. Devido à atração gravitacional, as moléculas de hidrogênio colapsam em direção ao centro da nuvem formando uma proto-estrela. • Estrelas auto-gravitantes de gás ionizado. • Fonte de energia: reações nucleares de fusão. • Transmutam hidrogênio em hélio e estes em elementos mais pesados. • Massas: • [0,08,100] Msol. • Massa do Sol: 1,9891  1030 Kg • Temperaturas: • [2500, 30000K]. César Vasconcellos

  8. A energia nuclear liberada no processo de fusão do hidrogênio é capaz de impedir que a estrela recém formada colapse totalmente. Isto ocorre devido ao balanço entre a energia gravitacional, que produz a contração da estrela, e a energia nuclear interna, que liberada produz uma pressão de radiação. O processo de fusão do hidrogênio não dura eternamente, e quando chega ao fim a estrela volta a contrair, podendo colapsar. Cresce a energia gravitacional da Proto-Estrela. Cresce agitação molecular. Inicia afusão termonuclear. César Vasconcellos

  9. A contração gera energia suficiente para o início de novos processos de fusão termonucleares, transformando gradativamente o hélio em carbono, nitrogênio e oxigênio (ciclo CNO (carbono, nitrogênio, oxigênio)). Estes processos não se repetem indefinidamente: reações de fusão nuclear, para certas composições, deixam de ser exotérmicas (liberam energia). Isto ocorre durante a formação do elemento ferro; neste caso as reações passam a ser endotérmicas (necessitam de energia externa para ocorrer). César Vasconcellos

  10. Nesta fase, a estrela atinge o estágio final de sua evolução, com uma região mais interior, formada por ferro e regiões exteriores, formadas por elementos mais leves. Na superfície da estrela encontram-se moléculas de hidrogênio que não foram queimadas nestas fases do processo de evolução. Quando o processo de fusão tem seu final definitivo, ao formar núcleos de ferro, a contração da estrela faz com que as camadas mais externas da estrela “caiam” sobre as camadas mais internas. Elétrons relativísticos. Processos beta inversos:: neutronização. Ondas de choque. Instabilidade. Formação de região de acresção. Transporte de energia (neutrinos) à região de acresção. Ejeção de envelope de supernova. É assim que pode ocorrer a explosão de supernova. César Vasconcellos

  11. Supergigante Gigante Vermelha Vermelha Seqüência Nebulosa C Principal He Anã Branca H He 0,8 < M < 10 MSol Supergigante Gigante Vermelha Vermelha Estrela Nuvem em C Nêutrons Contração Proto - Seqüência Supernova He Estrela Principal H He 10 < M < 25 MSol Estrela Wolf-Rayer 25 < M < 100 MSol Supernova Seqüência Buraco Principal Negro Fe H He César Vasconcellos

  12. 3. Propriedades - Estrelas de Nêutrons e Pulsares Estrela de Nêutrons Energia Térmica: ~ 1 MeV Temperatura: ~ 1010 K (Baixa do ponto de vista da física do núcleo.) Estrelas Frias E = kB T ; kB = 8,61  10-11 MeV / K César Vasconcellos

  13. 4. Estrela de Nêutrons Massa e Raio: estrelas de nêutrons poderiam abrigar uma vez e meia a massa do Sol em uma esfera de apenas 10 Km de raio. Densidade: isto faz com que estes objetos sejam extremamente densos: 1.000.000.000.000.000 vezes a densidade da Terra. Número Crítico de Bárions: A ~ 1057. Massa Máxima: ~ [1 - 3] M. Densidade Média: ~ 4  1015 g/cm3 ~ 1015  Raio Máximo: ~ 10 km ~ 10-5 R Estrelas Compactas Rsol = 6,9599  1010 cm. Msol = 1,989  1033 gramas. “Uma colher de chá de uma estrela de nêutrons equivaleria em termos de força peso a de todos os carros e caminhões da Terra.” César Vasconcellos

  14. Digressão - Fator de Forma Elétrico Nuclear Fator de forma elétrico nuclear: leva em conta, na seção de choque, os efeitos de extensão da distribuiçãode carga nuclear: F(q2) = (1/Ze)  (r) ei q.r dV Medição d/d = | F(q2) |2 Puntual d/d Efeito da carga nuclear extendida: Mott Função de Estrutura: informação sobre a estrutura nuclear. d/d = | F(q2) |2 d/d Mott Estudo das dimensões nucleares através do espalhamento e-A. Este fator reduz a seção de choque diferencial no espalhamento elástico e-A. César Vasconcellos

  15. (r) (e fm-3) Densidade de carga nuclear Fator de forma elétrico 0,10 0,08 R=r0 A1/3 0,06 Seção de choque 0,04 0,02 0 1 2 3 4 5 6 r (fm) César Vasconcellos

  16. César Vasconcellos

  17. Massa Máxima e A Crítico: (Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) Compressão Gravitacional Pressão cinética de Fermi Partícula em equilíbrio: GMm ( hKF)2 R 2m  César Vasconcellos

  18. Massa Máxima e A Crítico: (Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) Partícula em equilíbrio: GMm ( hKF)2 R 2m  Acrítico 0,868.1056 M = Am R = r0A1/3 Mcrítica  1057 mc2 César Vasconcellos

  19. Massa Máxima e A Crítico: (Estrela Newtoniana/ Gás de Fermi) M = Am R = r0A1/3 I) A2/3 (G/r0) (mc2/c2)2 = A2/3 (11,9x1031 fm2 g-1 s-2) (1671,4)2 x10-54 g2 = 3,3x10-16 fm2 g s-2 A2/3 II) (hc)2 KF2 / (2mc2) = (197 MeV fm)2 (1.4 fm-1)2 / (2x939MeV) = 40,5 MeV = 40,5 x 1,78 x 10-27 g c2 =72,1 x 10-27 g x (2,998)2 x 1046 fm2 s-2 = 64,8 x 1020 fm2 g s-2 Acrítico 0,868.1056 A2/3=19,6.1036 A=86,8.1054 Mcrítica  1057 mc2 César Vasconcellos

  20.  = M/V=Amc2/(4 /3)A r03 = mc2/(4 /3) r03 Densidade nuclear  2,5 1014g/cm3 r0 > 1 fm ( 1,17fm)  = 4 1014 g/cm3 Matéria Nuclear r0 rN1 fm César Vasconcellos

  21. Densidade de Matéria/Energia em Estrelas de Nêutrons M= 1,991030 kg = 1,116  1060 MeV m = 939 MeV massa do nêutron Acrítico = 2,6  1057 Suposição: empacotamento gravitacional limitado ao “caroço-rígido” nuclear r0  0,56  10-13cm REN  r0A1/3 = 0,5610-132,61/310(57/3)=19cm  7,7 km MEN  A m = 2,6  1057  939 MeV = 2,44  1060 MeV  2,18M Estrela de Nêutrons: núcleo gigante. César Vasconcellos

  22. REN  r0 A1/3  7,7 km MEN  A m  2,18 M(M =1,989  1033 gramas) Densidade de Energia/Matéria MN = MEN/V = MEN/(4 /3)REN3 Estrela de Nêutrons: núcleo gigante. 2,181,9891033 gramas MN Densidade nuclear (4 /3)4561015 centímetros3 A m c2 39391,7810-27g r0 > 1 fm( 1,17fm)   m c2 A (4 /3) r03 40,56310-39cm3  = (4 /3) r03 MN 2,27  1015 g/cm3  2,5 1014 g/cm3 César Vasconcellos

  23. Equações de Tolman, Oppenheimer e Volkoff Modelos Estrelas de nêutrons são objetos relativísticos! César Vasconcellos

  24. 5. Pulsares Massa M=1 a 2 M Densidade  ~ 1015g/cm3 Raio  R=10 km Densidade de Energia  10 MN Período  P>1,58 ms (630 Hz) Campo Magnético  B=[108 - 1018] G Estrelas de Nêutrons em Rotação. César Vasconcellos

  25. Pulsares perdem energia rotacional: Pulsar Crab: M = 1 massa solar; P=0.033s ; R = 104 m; César Vasconcellos

  26. constante Fluxo Magnético Raio colapsa de 1 R para 10-5 R C   BNS Modificação na Superfície  BSol Bsól~ 0.01 Tesla :: BNS ~ 5 x 107 Tesla = 5 x 1011 Gauss Observações mais recentes: BNS ~ 1018 Gauss!!!! César Vasconcellos

  27. Freqüencia de Kepler: valor limite absoluto para a freqüência de rotação de uma estrela. (K/)-1  a - (K/)-1 K/ (K/)2 K/ 0,2 0,5 1 /K César Vasconcellos

  28. Pulsares - Estrelas de Nêutrons em Rotação. Consideramos até aqui o caso não-trivial mais simples de estrelas estáticas e esfericamente simétricas: “elemento de linha” (métrica) d2=gdxdx  Forma de Schwarzschild (somente elementos diagonais). Estrela em rotação  “elemento de linha” d2=gdxdx  Forma de Schwarzschild. César Vasconcellos

  29. Expressão geral para o elemento de linha em um espaço-tempo com simetria axial: d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2] Estrela de Nêutrons em Rotação Uniforme com Simetria Axial:estática :: embora rotando, sua rotação é uniforme :: configuração que minimiza a massa-energia total para um valor específico de número bariônico e momentum angular. César Vasconcellos

  30. d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2]d2=e2(r,)dt2-e2(r,)dr2-e2(r,)[r2d2+r2sin2(d-L(r,)dt)2] • : ângulo polar :: planeamento centrífugo e rotação dos referenciais inerciais; • Referencial local de Lorenz: g(p)= ; g,(p)= 0; (p)= 0 (affine connection); • Referencial inercial: equação da geodésia se reduz à de movimento uniforme em linha reta: du/d = 0. • G = c =1, métrica tem dimensõesd2 = t2 ; forma ditada por invariânças frente à translação temporal e rotação axial; • L: velocidade angular dos referenciais locais inerciais :: se a estrela não está rotando, partícula solta na periferia “cai” para o centro da estrela :: se a estrela está rotando, o caminho de queda livre da partícula não está mais dirigido para o centro da estrela :: a partícula sofre um arrasto (“dragagem”) na direção de rotação da estrela. Gravidade tidal: desvio do campo gravitacional da uniformidade para pontos vizinhos. César Vasconcellos

  31. (,P()): tensor densidade de energia e momentum. Momento de inércia de estrelas com simetria azimutal, rotação uniforme,com velocidade angular , constante para todo o fluido,relativísticas, em equilíbrio, com deformação rotacional e arrasto dos referenciais inerciais: I(R,) = -1 dr dd03-g  = - ( + P) uu + P -g(r,) = e(r,) e(r,) e(r,) e(r,) Suposição: toda matéria rotando com a mesma velocidade angular constante. I(R,) = -1 dr dd03-g = 40/2d0R()dr -g(r,) [+P()](r,)  A(r, ) A(r, ) = [e2(r,) -2 (r,) - (r,)] Modelos César Vasconcellos

  32. I(R,) = -1 dr dd03-g = 40/2d0R()dr -g(r,) [+P()](r,)  A(r, ) A(r, ) = [e2(r,) -2 (r,) - (r,)] Modelos u = (u0,0,0,u3) :: quadri-velocidade do fluido. Rotação uniforme: u3 = u0. w(r,): velocidade angular do fluido em referencial localmente inercial.  = -w: velocidade angular resultante de elemento do fluido. Efeito de dragagem reduz força centrífuga (momento de inércia diminui). César Vasconcellos

  33. 6.Composição: Novas Formas da Matéria no Universo César Vasconcellos

  34. Estrelas de Nêutrons: neutralidade de carga elétrica. Carga “net”=0 (densidade de carga  0). Razão: estrela ligada pela força gravitacional de longo-alcance. Carga “net” produziria instabilidade e disruptura. Equilíbrio Químico:assegura que o sistema não “ganha” energia através de processos de decaimento (direto e inverso). Convencionalmente: estado fundamental da matéria hadrônica :: quarks confinados em hadrons individuais. Este estado não seria apenas um estado de vida longa? Portanto, não seria então um estado absolutamente estável! Hipótese da matéria estranha:: o “verdadeiro” e absolutamente estável estado da matéria no Universo. Somente em escalas de tempo longas, aquelas da evolução estelar, seria possível o estado confinado transformar-se em matéria estranha. César Vasconcellos

  35. Estrangeletes- Strange Quark Matter • Matéria de quarks estranhos (SQM): matéria contendo quantidades aproximadamente iguais de quarks up (u), down (d) e estranhos (s). • Estados de muitos quarks contendo apenas quarks u e d, na forma de um plasma quark-glúon, têm densidades consideravelmente maiores do que os núcleos conhecidos. • Estrangeletes: gotículas de SQM que contém aproximadamente igual quantidade de quarks u, d e s podem também ser mais densos do que os núcleos. • Dimensões dos estrangeletes: • Número de quarks contidos em um estrangelete: ~25-100. César Vasconcellos

  36. Estrangeletes - Strange Quark Matter • Estes estados podem existir como estados exóticos isoméricos de vida longa da matéria nuclear no interior de estrelas de nêutrons. • Especulações sobre a estabilidade de estrangeletes são baseadas nas seguintes observações: • O decaimento fraco de um quark s em um quark d poderia ser suprimido ou até mesmo proibido devido à ocupação dos estados mais baixos de partícula única (bloqueio de Pauli). • A massa do quark s pode ser menor do que a energia de Fermi do quark u ou d em tal gotícula altamente densa. SQM: estado neutro de carga (Qu+Qd+Qs=0). César Vasconcellos

  37. César Vasconcellos

  38. 7.Modelos Relativísticos Nucleares • Princípio da Ação. • Modelos Nucleares.Formulação Relativística da Teoria de Campos. • Campos: Bárions, Léptons, Mésons, Quarks, Glúons. • Equações de Movimento dos Campos. • Quantização dos Campos dos Bárions e dos Quarks. • Matéria Nuclear. Limite Contínuo. • Equação de Estado da Matéria Nuclear: p = p([kF]). • Equações TOV. César Vasconcellos

  39. 7.Modelos Relativísticos Nucleares Auto-interação entre mésons Bárions Densidade Lagrangiana (QHD): £ = BB[i- (MB-gB) - gB]B - BB[½gB. ]B + [i-m] + ½(-m22) - ¼ + ½m2 - ¼ . + ½ m2 . _ Léptons _ _ Mésons  Mésons  Quarks e Glúons £f =fa[i - MB - gg (i/2)abGi]fb Mésons  César Vasconcellos

  40. p=p() EOS Exemplo típico César Vasconcellos

  41. Equações de movimento hadrônicas. Exemplo típico: César Vasconcellos

  42. Equações de Movimento da QCD: César Vasconcellos

  43. “Determinação da EOS da Matéria Nuclear: Holy Graal da Física Contemporânea." Determinamos assim: Massa da Estrela. Densidade de Energia.Compressibilidade. Pressão Cinética e Dinâmica.Populações Bariônicas e Leptônicas. E muito mais... César Vasconcellos

  44. 8. Matéria Hadrônica Densa (MHD) • Investigação da MHD: tópico fundamental na Física Nuclear e de Partículas. • Através da Investigação da MHD: propriedade de confinamento da QCD poderá ser estudado em detalhes? César Vasconcellos

  45. Matéria Hadrônica Densa (MHD) • QCD - propriedadede confinamento: QCD é umateoria de calibre não-Abeliana e de campos quânticos. • Investigação da MHD: esperamos verificaruma importante predição da QCD, a transição de fase da MH para um Plasma de Quark e Gluons livres. César Vasconcellos

  46. Matéria Nuclear Infinita(MNI) • Na decada de 1950, um sistema hipotético foi inventado: Matéria Nuclear Infinita. • MNI: semelhança próxima - no centro de núcleos pesados, em estrelas de nêutrons, de quarks, estranhas e híbridas. César Vasconcellos

  47. César Vasconcellos

  48. César Vasconcellos

  49. César Vasconcellos

  50. 9. Plasma Quark-Glúon(PQG) Formação do PQG em Estrelas de Nêutrons César Vasconcellos

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