As estrelas de nêutrons são as menores, estrelas mais densas do universo, nascido do colapso gravitacional de estrelas extremamente massivas. Fiel ao seu nome, estrelas de nêutrons são compostas quase inteiramente de nêutrons - partículas subatômicas neutras que foram comprimidas em um pequeno, pacote celestial incrivelmente denso.

Um novo estudo em Natureza , co-liderado por pesquisadores do MIT, sugere que algumas propriedades das estrelas de nêutrons podem ser influenciadas não apenas por sua multidão de nêutrons densamente compactados, mas também por uma fração substancialmente menor de prótons - partículas com carga positiva que constituem apenas 5% de uma estrela de nêutrons.

Em vez de olhar para as estrelas, os pesquisadores chegaram à conclusão analisando os núcleos microscópicos dos átomos da Terra.

O núcleo de um átomo é repleto de prótons e nêutrons, embora não tão densamente como nas estrelas de nêutrons. Ocasionalmente, se eles estão próximos o suficiente, um próton e um nêutron irão emparelhar-se e cruzar o núcleo de um átomo com uma energia excepcionalmente alta. Essas "correlações de curto alcance, "como são conhecidos, pode contribuir significativamente para o equilíbrio de energia e propriedades gerais de um determinado núcleo atômico.

Os pesquisadores procuraram por sinais de pares de prótons e nêutrons em átomos de carbono, alumínio, ferro, e liderar, cada um com uma proporção progressivamente maior de nêutrons para prótons. Eles descobriram que, à medida que o número relativo de nêutrons em um átomo aumentava, o mesmo aconteceu com a probabilidade de um próton formar um par energético. A probabilidade de um nêutron formar pares, Contudo, permaneceu quase o mesmo. Esta tendência sugere que, em objetos com alta densidade de nêutrons, os prótons minoritários carregam uma parte desproporcionalmente grande da energia média.

"Achamos que quando você tem um núcleo rico em nêutrons, na média, os prótons se movem mais rápido do que os nêutrons, então, em certo sentido, prótons carregam a ação, "diz o co-autor do estudo, Or Hen, professor assistente de física no MIT. "Só podemos imaginar o que pode acontecer em objetos ainda mais densos de nêutrons, como estrelas de nêutrons. Mesmo que os prótons sejam a minoria na estrela, pensamos que as regras da minoria. Os prótons parecem ser muito ativos, e achamos que eles podem determinar várias propriedades da estrela. "

Pesquisando dados

Hen e seus colegas basearam seu estudo em dados coletados pelo CLAS — o CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Espectrômetro de grande aceitação, um acelerador de partículas e detector baseado no Laboratório Jefferson na Virgínia. CLAS, que operou de 1998 a 2012, foi projetado para detectar e registrar as múltiplas partículas que são emitidas quando feixes de elétrons colidem com alvos atômicos.

"Ter essa propriedade de um detector que vê tudo e também mantém tudo para análise offline é extremamente raro, "Diz Hen." Até manteve o que as pessoas consideravam 'ruído, 'e agora estamos aprendendo que o barulho de uma pessoa é o sinal de outra. "

A equipe optou por minerar os dados arquivados do CLAF em busca de sinais de correlações de curto alcance - interações que o detector não deveria necessariamente produzir, mas que capturou mesmo assim.

"As pessoas estavam usando o detector para observar interações específicas, mas enquanto isso, também mediu em paralelo um monte de outras reações que ocorreram, "diz o colaborador Larry Weinstein, professor de física na Old Dominion University. "Então pensamos, 'Vamos examinar esses dados e ver se há algo interessante neles.' Queremos extrair o máximo de ciência possível dos experimentos que já foram executados. "

Um cartão de dança completo

A equipe escolheu explorar os dados CLAS coletados em 2004, durante um experimento em que o detector direcionou feixes de elétrons ao carbono, alumínio, ferro, e átomos de chumbo, com o objetivo de observar como as partículas produzidas em interações nucleares viajam através do volume respectivamente maior de cada átomo. Junto com seus tamanhos variados, cada um dos quatro tipos de átomos têm diferentes proporções de nêutrons para prótons em seus núcleos, com o carbono tendo menos nêutrons e o chumbo tendo a maioria.

A reanálise dos dados foi feita pelo estudante de graduação Meytal Duer da Universidade de Tel Aviv em colaboração com o MIT e a Universidade Old Dominion, e foi liderado por Hen. O estudo geral foi conduzido por um consórcio internacional denominado Colaboração CLAS, composta por 182 membros de 42 instituições em 9 países.

O grupo estudou os dados em busca de sinais de prótons e nêutrons de alta energia - indicações de que as partículas haviam se formado em pares - e se a probabilidade desse emparelhamento mudava com o aumento da proporção de nêutrons para prótons.

"Queríamos começar a partir de um núcleo simétrico e ver, à medida que adicionamos mais nêutrons, como as coisas evoluem, "Diz Hen." Nunca chegaríamos às simetrias das estrelas de nêutrons aqui na Terra, mas poderíamos, pelo menos, ver alguma tendência e entender a partir disso, o que poderia estar acontecendo na estrela. "

No fim, a equipe observou que, à medida que o número de nêutrons no núcleo de um átomo aumentava, a probabilidade de prótons terem altas energias (e tendo emparelhado com um nêutron) também aumentou significativamente, enquanto a mesma probabilidade para nêutrons permaneceu a mesma.

"A analogia que gostamos de dar é que é como ir a uma festa de dança, "Hen diz, invocando um cenário em que os meninos que podem fazer pares com meninas na pista de dança estão em grande desvantagem numérica. "O que aconteceria é, o menino normal ... dançaria muito mais, então, embora fossem uma minoria no partido, os meninos, como os prótons, seria extremamente ativo. "

Hen diz que esta tendência de prótons energéticos em átomos ricos em nêutrons pode se estender a objetos ainda mais densos em nêutrons, como estrelas de nêutrons. O papel dos prótons nesses objetos extremos pode então ser mais significativo do que as pessoas suspeitavam anteriormente. Esta revelação, Hen diz, pode abalar a compreensão dos cientistas sobre como as estrelas de nêutrons se comportam. Por exemplo, como os prótons podem transportar substancialmente mais energia do que se pensava anteriormente, eles podem contribuir para as propriedades de uma estrela de nêutrons, como sua rigidez, sua proporção de massa para tamanho, e seu processo de resfriamento.

"Todas essas propriedades afetam como duas estrelas de nêutrons se fundem, que pensamos ser um dos principais processos do universo que criam núcleos mais pesados ​​que o ferro, como ouro, "Diz Hen." Agora que sabemos que a pequena fração de prótons na estrela está altamente correlacionada, teremos que repensar como [as estrelas de nêutrons] se comportam. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.