Já viajamos a muitos lugares estranhos: aos interiores de buracos negros, ao tempo antes do Big Bang. Mas hoje quero levar a uma jornada que deve ser o lugar mais estranho do universo moderno, um lugar onde a matéria existe em estados que certamente você nunca ouviu falar. Uma jornada até o centro de uma estrela de nêutrons.

Estrelas de nêutrons são indiscutivelmente os objetos mais estranhos do universo, se não contarmos buracos negros como objetos propriamente ditos. E, honestamente, estrelas de nêutrons são ainda mais estranhas que buracos negros em alguns aspectos. Já discutimos como elas se formam a partir dos núcleos mortos de estrelas massivas, remanescentes de explosões de supernovas. Já vimos como parecem de longe: metrônomos perfeitos de luz piscante, enquanto essas estrelas em rotação rápida nos varrem com seus jatos como pulsares. E exploramos processos estranhos que ocorrem quando uma estrela de nêutrons se aproxima de se tornar um buraco negro. Mas o que nunca fizemos, ao menos não adequadamente, foi explorar de verdade o interior dessas bestas. E é hora de fazê-lo, porque lá encontraremos estados de matéria que não existem em nenhum outro lugar do universo.

Para essa jornada, precisamos de uma nave inimaginavelmente avançada. Na verdade, não existe tecnologia imaginável capaz de suportar as condições que estamos prestes a experimentar, então vamos recorrer ao poder da má ficção científica: uma nave de “indestrutium” para resistir à radiação e à pressão, e um campo antigravitacional para resistir às ridículas forças gravitacionais.

Tudo isso será útil assim que nos aproximarmos da estrela de nêutrons. A primeira coisa que encontramos é sua magnetosfera: o campo magnético mais forte do universo. Mesmo os campos mais fracos de estrelas de nêutrons são um bilhão de vezes mais fortes que os da Terra ou do Sol. Essa magnetosfera é muito diferente do espaço magnetizado ao redor da Terra ou do Sol: está repleta de elétrons e pósitrons. Esses pares matéria-antimatéria são criados a partir dos fótons de energia extrema no campo magnético. Esse campo então se torna um acelerador de partículas, com correntes de elétrons fluindo numa direção e correntes de pósitrons fluindo na outra, devido às suas cargas elétricas opostas. Essas e outras partículas carregadas acabam sendo lançadas ao longo dos polos do campo magnético, e seu movimento nesses jatos resulta na radiação que observamos como pulsares.

Quando estamos quase atravessando a magnetosfera, começamos a notar que a superfície da estrela de nêutrons é um pouco difusa: estamos vendo a atmosfera da estrela. Semelhante à atmosfera da Terra, essa camada de névoa começa muito tênue, quase um vácuo, e vai ficando mais densa à medida que descemos. Mas as semelhanças terminam aí. A atmosfera da Terra é composta principalmente de oxigênio e nitrogênio em forma molecular. A pressão aumenta à medida que você desce, de modo que na superfície da Terra o peso de todo esse gás sobre sua cabeça é de cerca de 200 kg.

Mas a atmosfera da estrela de nêutrons não é feita de átomos: é um plasma, no qual os átomos tiveram seus elétrons removidos, ou ionizados, devido ao calor extremo, cerca de um milhão de Kelvin para uma estrela de nêutrons jovem. Esses núcleos são principalmente hidrogênio e hélio, capturados do espaço quase vazio ao redor da estrela. E enquanto a atmosfera da Terra tem cerca de 100 km de espessura, dependendo de como você define a borda do espaço, a atmosfera da estrela de nêutrons tem apenas um metro de espessura, com a maior parte do plasma confinada a uma fina camada de 10 cm acima da superfície da estrela. Isso se deve à gravidade insana nessa superfície, algo como 100 bilhões de G. Quando pousamos na superfície, nossas cabeças estão no vácuo do espaço, enquanto nossos pés estão num plasma nebuloso com uma densidade muitos milhões de vezes maior que qualquer coisa na Terra.

Aqui começamos a encontrar os primeiros estados verdadeiramente estranhos da matéria. A matéria em nossos pés não é tão diferente do material no interior de uma anã branca, o núcleo morto de uma estrela de massa menor como o nosso Sol. O plasma é comprimido tão firmemente que os elétrons estão à beira de se sobrepor. Mas como vimos, partículas da família dos férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico. A matéria tornou-se o que chamamos de degenerada, e a pressão de degenerescência dos elétrons impede o colapso adicional e, em última análise, sustenta a atmosfera.

Tendo pousado na estrela de nêutrons, há de fato uma superfície sólida sob nossos pés. Parece ser um tipo estranho de material cristalino. Isso é bastante peculiar porque normalmente pensamos em cristais como redes de átomos conectados por ligações de elétrons. Mas a matéria abaixo de nossos pés ainda está completamente ionizada, despojada de seus elétrons. Na verdade, é um plasma congelado, no qual seus núcleos estão presos juntos numa rede regular. Pode-se perguntar como os núcleos podem se ligar uns aos outros dado que são todos positivamente carregados e portanto deveriam se repelir. A essas densidades, os núcleos são empurrados tão próximos uns dos outros que sua repulsão mútua na verdade impede que os núcleos deslizem uns para além dos outros, como um congestionamento de tráfego. E a simetria dessa repulsão força os núcleos a uma grade regular. Neste caso, a matéria cristalina é principalmente ferro, o último elemento forjado no núcleo da estrela nas horas antes de ela ir à supernova, e parte dele ainda sobrevive aqui na superfície da estrela de nêutrons.

Agora a jornada real pode começar enquanto começamos a tunelar para o interior da estrela. Entramos na crosta externa da estrela. A densidade só aumenta à medida que descemos. Permeando a rede cristalina há um gás de elétrons, um chamado gás de Fermi degenerado que sustenta essa parte da estrela contra um colapso adicional. Quanto mais fundo vamos, mais energéticos esses elétrons se tornam, e logo essas energias são altas o suficiente para impulsionar algumas reações nucleares muito exóticas. Os elétrons começam a ser impulsionados para dentro dos núcleos de ferro num processo chamado captura de elétrons. Os elétrons negativamente carregados se fundem com prótons positivamente carregados para produzir nêutrons. Dessa forma, o ferro é convertido em elementos com menos prótons, mas que são ainda tão pesados quanto o ferro e muito ricos em nêutrons.

Depois de descermos algumas centenas de metros, vemos núcleos que não podem sequer existir fora de uma estrela de nêutrons. Onde a estrela tem 50 bilhões de vezes a densidade da Terra, podemos encontrar um núcleo como o Zinco-80, que decairia em meio segundo na Terra ao ejetar nêutrons. Núcleos com proporções tão altas de nêutrons para prótons só são estabilizados pelas pressões incríveis e energias extremas dos elétrons na estrela de nêutrons.

Ao sairmos da crosta externa para a crosta interna, nossos núcleos se tornam tão ricos em nêutrons que começam a se desfazer. Chamamos isso de “gotejamento de nêutrons”: nêutrons vazam dos núcleos para o espaço cada vez mais estreito entre eles. Não sabemos exatamente a que profundidade esse fenômeno começa, mas nossos melhores cálculos sugerem que é perto de meio quilômetro de profundidade, e estamos a pelo menos um trilhão de vezes a densidade da matéria na Terra. Estamos realmente dependendo de nossos cálculos teóricos aqui, além do ponto onde podemos duplicar essas energias e esses núcleos ricos em nêutrons em aceleradores de partículas.

À medida que o gotejamento de nêutrons se intensifica, o espaço entre os núcleos se enche com um gás de nêutrons. Enquanto isso, o gás de elétrons fica mais ralo devido ao processo de captura de elétrons. Na verdade, o gás de nêutrons começa a assumir o papel dos elétrons. Nêutrons também são férmions, e assim dois deles não podem ocupar o mesmo estado. A estrela agora é cada vez mais sustentada pela pressão de degenerescência dos nêutrons. Mas os nêutrons podem se aproximar muito mais uns dos outros antes que essa pressão de degenerescência entre em ação, e assim densidades muito, muito maiores se tornam possíveis.

Mais abaixo, os próprios núcleos começam a ficar difusos à medida que os prótons são superados pelos nêutrons numa proporção de 5 para 1. A função de onda de um dado nêutron está tão espalhada que se torna difícil até mesmo localizá-lo como estando dentro de um dado núcleo. Quando chegamos ao fundo da crosta, cerca de um quilômetro de profundidade, as densidades atingiram 100 trilhões de vezes as da Terra. Aqui, os núcleos antes distintos estão começando a se tocar uns nos outros.

À medida que caímos abaixo do núcleo interno, as coisas finalmente começam a ficar propriamente estranhas. Bem-vindos à pasta. Especificamente, à pasta nuclear. Este é talvez o estado de matéria menos conhecido e mais estarrecedor do universo. Quando os núcleos começam a se tocar, eles se reorganizam, formando formas exóticas. Os núcleos têm uma espécie de competição: enquanto nêutrons e prótons sentem uma atração de curto alcance muito forte uns pelos outros devido à força nuclear forte, a repulsão elétrica entre os prótons remanescentes tenta empurrá-los o mais longe possível uns dos outros. Aqui pode haver 20 nêutrons para cada próton, de modo que os prótons não podem realmente resistir às forças que remodelam os núcleos. O resultado é esse jogo de cabo de guerra de partículas, com todo o seu empurrar e puxar, vemos um rearranjo completo da matéria.

Os núcleos se reformam radicalmente, formando cilindros contendo muitos milhões de prótons e nêutrons. Físicos nucleares carinhosamente chamam essa fase da matéria de espaguete. A densidades ligeiramente maiores, esse espaguete nuclear pode ser espremido para formar folhas: o famoso lasanha nuclear. E por ser tão densa, é realmente difícil dobrar e mover essa matéria. A pasta nuclear pode ser até o material mais resistente do universo, um quintilhão de vezes mais forte que o aço.

A enorme resistência da pasta nuclear permite que ela resista às insanas forças gravitacionais e suporte uma espécie de textura irregular, como montanhas de pasta nuclear enterradas abaixo da superfície da estrela. Essas poderiam ter até 10 centímetros de altura, o que não parece muito, até você lembrar que cada centímetro cúbico de pasta nuclear pesa tanto quanto uma montanha na Terra. À medida que a estrela de nêutrons gira, essas cadeias de montanhas enterradas são arrastadas em círculos, produzindo um sinal muito fraco de ondas gravitacionais. Essas ondas gravitacionais são muito mais fracas que os sinais detectados quando estrelas de nêutrons ou buracos negros se fundem, e portanto muito mais difíceis de detectar. Mas em vez de ser uma grande onda e um choque, é um zumbido contínuo em exatamente uma frequência, o dobro da frequência de rotação da estrela de nêutrons, e astrônomos de ondas gravitacionais estão buscando esses sinais com o LIGO agora mesmo, mirando pulsares em nossa galáxia usando suas frequências de rotação conhecidas. Ainda não encontraram nada, mas podem em breve, dando-nos um primeiro vislumbre do funcionamento interno das estrelas de nêutrons.

Quando chegamos ao fundo da camada de pasta, logo acima do núcleo da estrela de nêutrons, toda aquela matéria foi amassada numa sopa de principalmente nêutrons e apenas ocasionais prótons. A densidade aqui é 200 trilhões de vezes qualquer coisa encontrada na Terra.

E assim chegamos ao núcleo, onde encontramos as condições mais extremas em todo o universo moderno. Aqui, pares de nêutrons de spin ½ se conectam de uma maneira particular para formar pares de Cooper, que agem como partículas de spin 0 ou spin 1. Alguns de nossos férmions efetivamente se tornam bósons, o que significa que podem fazer algumas coisas bastante loucas. No caso dos nêutrons, podem se tornar um superfluido, um fluido sem atrito que pode sustentar vórtices com enormes quantidades de energia. Alguns físicos pensam que a dissipação desses vórtices é vista por nós como falhas na frequência dos flashes dos pulsares. Os raros prótons em pares de Cooper, por outro lado, transformam o núcleo num supercondutor, o que é provavelmente uma parte essencial para manter o enorme campo magnético da estrela de nêutrons.

Aproximando-nos do centro morto da estrela de nêutrons, até os próprios prótons e nêutrons começam a perder estrutura e se misturar. Isso é altamente teórico, mas pode ser que essas pressões e energias extremas produzam partículas “híperons” contendo “quarks estranhos”. Ou podem não estar ligados em partículas de forma alguma: os prótons e nêutrons podem se dissolver completamente num plasma de quarks e glúons. Embora esses plasmas tenham sido vistos em experimentos de colisores na Terra, não temos certeza se existem em estrelas de nêutrons. A única outra vez que a matéria existiu naturalmente em condições como essas foi dentro de uma fração de segundo após o Big Bang.

Se você ficar quieto por um momento e escutar com atenção, pode ouvir os trovoadas distantes de tempestades termonucleares rugindo acima de nós na superfície. Parece que nossa estrela de nêutrons começou a acretar matéria de uma estrela companheira binária. Sua massa está crescendo, e em algum momento em breve ela formará um horizonte de eventos inescapável, e ficaremos presos dentro de um buraco negro de verdade. Escapar se tornará ainda mais impossível do que já é.