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terça-feira, 18 de fevereiro de 2014

Estrelas de Nêutrons, A Nebulosa do Caranguejo e o Fracasso

         
 M1 é um DSO que sempre me fascinou. Devido as mais variadas razões. Provavelmente sua posição no catalogo Messier tenha sido a primeira coisa a me chamar a atenção.
            A história da nebulosa localizada por Messier enquanto buscava pelo retorno do cometa Halley e que acabou por leva-lo a criar o primeiro Catálogo de DSO reunindo 109 objetos pelos quais não se deveria procurar foi uma das primeiras lendas astronômicas que eu tive contato. Como bom conquistador do Inútil não resisti e pouco depois comprei meu primeiro telescópio.
            A história da M1 é marcada por pódiums: Ela foi a primeira entrada do catalogo Messier, a primeira nebulosa de vento de Pulsar descoberta (um novo estagio ou um tipo atípico de  remanescente de supernova ...)., o primeiro Pulsar  descoberto e a Segunda Supernova registrada durante o período histórico (1057)1
            Com este invejável currículo ela foi um dos primeiros DSO que busquei em minha vida. Observa-la não foi tão fácil quanto esperava. Embora bem próxima de Zeta Taurus ela não se entrega facilmente.
            Quando observamos a nebulosa do Caranguejo com pequenos telescópios o que nós vamos perceber ( perceba que não usei o verbo ver...)  é uma  nevoa onde a densidade de matéria que podemos observar já foi descrita como " a coisa mais perto de nada ser e ainda assim ser alguma coisa.".
            Mas é muito mais que isto: é o que nós não podemos ver( em  pequenos telescópios) que faz dela  ainda mais fascinante. E o DSO perfeito para falar em um dois dos  assuntos favoritos aqui no Nuncius Australis, Evolução Estelar e astrofotografia.       
            Como já falei no nascimento e evolução de aglomerados diversas vezes e no ultimo "post" a respeito a capacidade deprocessamento dos computadores ainda  nãodava conta de condições mais extremadas de densidade e pressão de criaturas mais exóticas eu pulei a parte referente a Estrelas de Nêutrons...
            Já não é sem tempo de corrigir esta injustiça e também de eu tomar vergonha na cara e tentar fotografar este DSO que tanto estimo.
                  Vamos fazer assim:    primeiro Estrelas de Nêutrons e depois fotografia.
             M1 é um remanescente de Supernova e uma nebulosa de vento de Pulsar. Embora com uma origem comum são coisas diferentes. No meio da confusão do que restou desta explosão existe uma estrela de Nêutrons. 
            Para chegar ser uma estrela de nêutrons a matéria tem que percorrer um longo caminho.  Contei muitodesses processos em outros posts.
            Para se construir modelos teórico de estrelas - o único caminho para se realizar o retrato da evolução das estrelas  em uma  escala humana de tempo - os cientistas fazem uso de cinco equações básicas que expressam as leis da físicas necessárias para tal feito.
            São estas as "Equações de estrutura estelar".
            Primeiramente, já que a gravidade é o que mantém as estrelas unidas, existe  uma equação baseada na Lei da gravitação de nosso querido Isaac Newton que relaciona a pressão com a massa e a densidade da matéria dentro da estrela. Esta relação é  a " Equação do Equilíbrio Hidrostático".
          Depois existe uma equação simples que conta aos astrofísicos como a massa e a densidade da matéria dentro de uma estrela estão conectadas: " A Equação de Massa". 
            Já que as estrelas são quentes e irradiam luz há de haver uma equação que conta ao astrofísicos como a temperatura no interior da estrela esta relacionada ao "output" de luz da mesma. Esta é a "Equação do Transporte Radioativo". 
            Em adição , reações lá no fundo das estrelas  geram a energia que as faz brilhar. "A Equação da Geração de Energia". 
        E finalmente a "Equação de Estado"  contém as informações sobre  as propriedades e comportamento dos gases da estrela; relaciona a pressão do gás com sua temperatura , densidade e composição química.
              Isto soa muito complicado mas atualmente pode ser resumido da seguinte forma:
            Astrofísicos devem aplicar as leis da natureza para construir modelos de estrelas . Estas leis estão contidas em cinco equações que os astrofísicos possuem em seus computadores . Os seus computadores então obtém confissões em forma de magnitudes absolutas  e classes espectrais de "estrelas-modelos". Se  estas confissões batem com o que os astrofísicos vêem na cena do crime ( o céu) os astrofísico se cumprimentam e concluem que entenderam as propriedades destas estrelas.
            Em um rápido flashback vamos recordar que as estrelas se formam a partir de condensações em frias nuvens de gás intra-estelar. A gravidade faz a nuvem colapsar sobre si mesma. A pressão , temperatura e varias outras variáveis aumentam e finalmente surge uma proto estrela. Quando o hidrogênio, o equilíbrio hidrostatico, a massa o equilíbrio e mais alguns amigos atingem determinado ponto o Hidrogênio entra em ignição e as reações termo nucleares acontecem; temos uma estrela. Mas o tempo não para e a estrela acaba por fumar todo seu hidrogênio e as equações continuam seu trabalho e a matéria  precisa se reorganizar. A pressão que suportava a estrela não mais existe. A estrela deve colapsar sobre si mesma. Novas leis da física começam a operar para conter esta contração.
            Pense por um momento no que deve acontecer no interior de uma estrela moribunda e colapsante de mais ou menos uma massa solar. Conforme a estrela colapsa os átomos dentro delas vão ficando cada vez mais "espremidos". Conforme a estrela colapsa mais e mais os átomos começam a colidir violentamente e são escalpelados de seus elétrons. Logo todos os átomos estão completamente ionizados e a matéria dentro da estrela consiste de "núcleos carecas" boiando em um mar de elétrons ( adoro licenças poéticas...).
            Em condições "normais", átomos neutros são basicamente espaços vazios. Elétrons orbitam os núcleos em distancias especificas "autorizadas". Entretanto se os átomos de um gás estão completamente ionizados os elétrons e o núcleo pode ser comprimidos em um volume muito menor que se os átomos se encontrassem intactos.
             Muito antes de a matéria dentro de nossa colapsante estrela atinja um ponto onde núcleos e elétrons estejam " se tocando" certas leis da física entram em campo. Em particular uma importante lei da mecânica quântica,"O Principio de Exclusão de Pauli", que nos explica dois elétrons idênticos não podem ocupar o mesmo pequeno volume. Ou seja existe um espaço minimo onde podem ser empilhados determinados numero de elétrons. Algo que tornaria um ônibus na hora do Rush um espaço vazio... Se a estrela tentar agrupar mais elétrons por "metro quadrado" que o permitido por Pauli o "pau canta". E ela encontra uma tremenda resistência.
            O Principio da Exclusão de Pauli  e a mecânica quântica aplicada a matéria altamente comprimida  tem profundas implicações no mecanismo de " morte estelar". Quando uma estrela como o nosso sol "falece" a pressão e a temperatura na estrela sobe rapidamente  até que os elétrons estejam no  menor volume permitido para eles sob as leis da mecânica quântica. Neste ponto a matéria da estrela é dita "degenerada" os elétrons são um "gás degenerado". Este degenerado "mar de elétrons" produz uma enorme pressão que resiste vigorosamente  a mais compressão. E cada pequeno volume dentro da falecida estrela se encontra o maior numero de elétrons permitidos pelas leis da física. Temos uma anã branca.
            Para chegarmos até nossa estrela de Nêutrons a matéria ainda tem que ser submetida a mais um julgamento e a mais leis da natureza. Um processo longo.
            Outro nome que costuma habitar os textos respeito de "criaturas estranhas no zoológico cósmico" é o do brilhante astrofísico S. Chandrasekher . Foi ele que descobriu que quando uma estrela com a massa semelhante a do sol colapsa até o tamanho de uma esfera de aproximadamente 16.000 km de diâmetro temos uma anã branca.
            Mas Chandrsekhar descobriu também que anãs brancas não podem existir com massas superiores a 11/4 massas solares. É o "Limite de Chandrasekher".
            Até o final dos anos 60 , a maior parte dos astrônomos acreditavam que todas as estrelas terminavam seus dias como anãs brancas. Parecia existirem suficientes anãs brancas espalhadas pelo céu para darem conta de tantas estrelas mortas... Se acreditava que todas estrelas ,no momento de sua morte, conseguiam se livrar de material suficiente (seja como nebulosas planetárias  ou supernovas) para que seus núcleos mortos não passassem de 11/4 massas solares.
            Mas... suponhamos que uma estrela que depois de explodir como supernova ( estamos nos aproximando de M1) tenha em seu núcleo morto uma massa de 2 sóis. Ou seja: acima do Limite de Chandrasekher. Conforme esta falecida estrela com 2 massas solares se contrai sob seu próprio peso,  a pressão do " mar de elétrons degenerados"  não é suficiente para conter a contração. A estrela simples mente vai ficando cada vez menor. Como a estrela continua a encolher a pressão e a temperatura dentro da estrela se torna tão enorme que um processo digno de nota começa a acontecer. Quando a compressão do material no interior da estrela chega a um ponto onde cada centímetro quadrado pesa bilhões de toneladas de matéria as partículas atômicas começam a ser comprimidas umas dentro das outras. Em particular os elétrons são comprimidos dentro do núcleo dos átomos. Quando isto acontece os negativos elétrons se combinam com os positivos prótons para produzirem nêutrons, Muito rapidamente depois de iniciada a metamorfose "toda" a estrela se transforma em nêutrons.A estrela inteira se transforma em um gigante núcleo atômico. Uma estrela de Nêutrons nasceu.
            Graças a uma outra lei da física , chamada "Conservação do Momentum angular" que nos explica como coisas velozes giram ou rodam. Estrelas de Nêutrons   giram muito rápido.
            Para simplificar estas são algumas das caracteristicas da estrelas de Nêutrons:
- Uma estrela de Nêutrons é pequena, Seu diâmetro será de aproximadamente 25 Km.
-Uma estrela de nêutrons é densa. Um centímetro quadrado do material de uma estrela de nêutrons contem cerca de 1 bilhão de toneladas de matéria.
-Uma estrela de Nêutrons roda muito rápido. Logo após a sua formação ela gira pelo menos uma centena de vezes por segundo.
- Uma estrela de nêutrons tem que possuir um campo magnético muito forte . O Campo magnético de uma estrela de Nêutrons reside entre um bilhão e um trilhão de vezes mais forte que o atual campo magnético do sol.

            Para completar a saga de uma estrela de Nêutrons é necessário falar o que acontece na superfície desta estrela. A matéria na superfície não é ,nem de perto, tão densa quanto em seu interior. Ainda permanecem muitos prótons e elétrons que não foram esmagados uns dentro dos outros para formarem nêutrons e assim segundo a teoria eletromagnética estas partículas carregadas  (prótons e elétrons) serão acelerados para os pólos magnéticos da estrela. Finalmente chegamos a importante realização que dois fachos de luz devem emergir dos pólos da estrela. Como um farol . Como um Pulsar.
            Como falei M1 é uma Nebulosa de Vento de Pulsar. Chegamos até a estrela de Nêutrons , o Pulsar e a Nebulosa que pretendia fotografar desde o inicio do post. Reunidos são o conjunto da obra que formam e realizam a Nebulosa do Caranguejo.

            Estrelas de Nêutrons e Pulsares são a mesma coisa... E o Pulsar de Caranguejo foi um dos primeiros a ser descobertos. A estrela que alimenta a nebulosa foi "descoberta" em 1942 por Minkowski. Tratava-se de um espectro óptico muito incomum . As coisas seguiram seu rumo e em 1968 descobriu-se que a estrela emite sua radiação em pulsos rápidos. Nascem uma estrela de nêutrons e um pulsar. 
            Pulsares são fontes de radiação eletromagnéticas intensas e extremamente regulares. Sua regularidade levou a equipe que primeiro os identificou batizarem-lhes de LGM. "Little Green Men".Como se suas emissões fossem sinais enviados por uma outra civilização. A descoberta de uma fonte de radio pulsante no centro da nebulosa foram uma forte evidencia de que pulsares se formam em explosões de supernovas. Daí a ligarem os fatos e estrelas de nêutrons e pulsares serem associados foi um passo. Dado dentro de M1.
            Agora que já percorri todo o caminho até o coração da Nebulosa do Caranguejo e o ciclo de evolução de estrelas de massa acima do Limite de Chandrasekhar e abaixo do Limite de Volkhoff- Oppenheimer vou contar para vocês o ultimo pódium que M1 visitou.
            Não posso deixar de apresentar o belo paper realizado por J. Jeff Hester "The Crab Nebula: An Astrophysical Chimera". É um trabalho que vai apresentar M1 com todas as honras. Você pode acessa-lo aqui.  
            Finalmente astro fotografia. E o fracasso.
            Ela foi o primeiro DSO do ano que não fotografei. Com este post escrito a mais de um ano eu esperava ansioso pela oportunidade de fotografa-la. O plano era perfeito. E assim falhou de forma retumbante.
            Aguardei a época certa e fui de mala e cuia para Búzios. O plano começou a falhar ainda no Rio de Janeiro. Já havia observado M1 com diversos equipamentos. Mas a verdade é que somente como Newton ( meu refletor de 150 mm) consegui realmente a perceber sem o uso de subsídios do tipo visão periférica, hiper oxigenação, balançar o telescópio e imaginação. Como sabemos a família aumentou e eu resolvi levar apenas o Galileo ( um refrator de 70 mm). Acreditando que o sensor C-mos de minha câmera faria o truque e garantiria a aparição magica da nebulosa nas fotos. Erro crasso.
            Búzios no ano novo apresenta um poluição luminosa digna de cidade grande    e assim até mesmo mirar o pequeno refrator em Zeta Tauri foi difícil. Em uma casa recém "detonada" por uma enchente , minha esposa atacando de Rainha-Má e a mosquitada fazendo festa em meus tornozelos comecei a perceber que a tal foto estava ficando para o ano que vem...
            Usando a buscadora calculava um "hop" aproximado de onde deveria estar a Nebulosa.
            Depois partia para a ocular na esperança de estar no local exato.
             Como o tempo e o espaço são bem mais complexos do que parecem nem escaneando a região durante horas consegui vislumbrar a nebulosa.

            A tarefa se revelou acima do instrumental e do instrumentista. Mas todas as vezes que consegui observar de fato M1 foi seguindo este rumo e essa mesma forma. Com o Newton não chega a ser tão difícil como possa parecer por esta experiência. Com minha ocular de 25 mm calçada no Refletor eu parto em busca de M1 a partir de Zeta Tauri. Calculando o hop diretamente pela ocular M1 se revela mais cedo ou mais tarde para minha velha e cansada vista. Com o refrator não adiantou nem reza forte...
            Mas astronomia até quando é um fracasso nos ensina e assim prometi voltar com o Newton e fotografar M1 um outro dia. E fiz todo o dever de casa e estudei bastante sobre a nebulosa propriamente dita. Esta é a parte que vocês vão poder utilizar deste post. Quanto a astrofotografia.... Desta vez os créditos vão para o Hubble.


P.S. Quase um ano depois acabei conseguindo fotografar M 1 . Com o auxilio de uma nova cabeça equatorial e e m noite de lua nova em Buzios . Ainda assim de forma discreta e com muio ruído....
           






    

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