Formação e estrutura de
objetos estelares compactos
Sergio B. Duarte
CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Conteúdo do Curso
•Formação de objetos compactos na evolução estelar – o papel
da nucleossíntese no ciclo evolutivo.
•Explosões de supernovas, mecanismos de explosão, geração de
fluxo de neutrinos, nucleossíntese explosiva e o papel dos
neutrinos para a explosão e nucleossíntese em supernovas.
•A matéria densa e superdensa destes objetos e os neutrinos
aprisionados nos primeiros momentos de formação. Estrutura
e estabilidade de estrelas supercompactas e o papel da
Relatividade Geral
• Novos problemas observacionais e teóricos na área e suas
conexões com as questões não respondidas sobre o plasma de
quark e glúons, colocadas no contexto astrofísico
Julho 2012
Escola de Verao - CBPF
Objeto mais compacto: O Universo
primordial
•
Transição de fase 1-ordem:
quarks livres em equilibrio
termodinâmico passam a
quarks confinados em hádrons3.
Transição adiabática :
as bolhas se formam na
co-existencias das fases
hadrônica e de quarks.
Bolhas de quarks no Universo
Primordial
Julho 2012
Escola de Verao - CBPF
Visão Atual do Universe
Superstrings,
Quantum Gravituy
Pequena História
Formação de Estrutura
em grande escala
Modelo Padrão
QCD
Julho 2004
Desacoplamento de fotons
Escola de Verao - CBPF
Julho 2012
Escola de Verao - CBPF
10-16 metros
As Partículas fundamentais (Modelo Padrão)
Quarks
Leptons
Top
Carga(+2/3)
Carga(+2/3)
Photon
Down
Strange
Gluons
(carga=-1/3)
(carga=-1/3)
Bottom
(carga=-1/3)
electron
(carga=-1)
Muon
(carga=-1)
Tau
(carga=-1)
Neutrino
eletronico
neutrino
Muonico
Neutrino
tauonico
Z
I (leves)
II
III(pesados)
Higgson
(?)
Up
(carga=+2/3)
Charm
Bosons
Mediadores
da Força
W+ ,
W-
Programa mundial de colisões
Ultrarelativisticas
Colisões Centrais
Julho 2012
SPS
RHIC
LHC
s1/2(GeV)
17
200 7000-14000
e (GeV/fm3)
2.5
3.5
15-40
tQGP (fm/c)
<1
1.5-4.0
4-10
Escola do CBPF
Julho 2004
Escola de Verao - CBPF
Primeiras estrelas estão nascendo ...
Julho 2012
Escola do CBPF
Pequenas fluctuações
desenvolveu para clusters de
galaxias
Julho 2012
Escola do CBPF
Expansion of the Universe
t
Julho 2012
Escola do CBPF
Edwin Hubble (1889-1953)
Lei de Hubble
V  Hr
Estimado pelo efeito Doppler
Hubble trabalhando com100” telescope em Mt.
Wilson, CA.
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
http://www.observatorio.ufmg.br/mes.htm
Prof. Alaor Chaves
Julho 2012
Escola do CBPF
Surpresa Recente





Supernova TypeI-a: vela padrão
Na sua expansão o Universo esta acelerando...
Pressão negativa !! (dark energy) ?
Cosmological Constant do Einstein
Scalor field, Quintensence ..
Julho 2012
Escola de Verao - CBPF
Dados obtidos pelo Supernova Cosmology Project. A grandes
distâncias a lei de Hubble é não linear, o que era esperado. Mas em
vez de desaceleração, temos aceleração da expansão!
Julho 2012
Escola do CBPF
A cor e o brilho das estrelas
Julho 2004
Escola de Verao - CBPF
Radiação de Corpo Negro
e   d 3 p E ( p) f ( p)
Planck
E ( p)  pc
2
1
f ( p) 
3 E / kT
(2 ) e
1
de
8 p 2
cp

dp (2 )3 e E / kT  1
Julho 2012
Escola do CBPF
p  k  /c
de 8 ( / c)

d
(2 )3 e
3
1

kT
Pico  3.13kT
 ( c)
2
3
 kT 
I ( x)
1.6
1.2
I(x)
x
 / kT

3
0.8
0.4
0
0
4
8
12
16
20
X
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Classificação de estrelas
Diagrama de Hertzsprung-Russel
Henry Norris Russell
(25.X.1877 - 19.II.1957).
Ejnar Hertzsprung
(8.X.1873 - 21.X.1967).
Julho 2012
Escola do CBPF
NASCIMENTO DE ESTRELAS
Colar de Estrelas em Formação Contornando o Núcleo de uma Galáxia Foto do Telescópio Hubble
Julho 2012
Escola do CBPF
Da Matéria Interstelar a Estrela
Frio, escuro e densa nuven
interstelar
Grande —10-100 parsecs da
extensão (1014 – 1015 km)
Basicamente gas atomico e
molecular
Instabildade gravitational no
gas – causada por um gatilho
externo, o nuvem colapsa.
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Termodinâmica
dE   PdV  TdS   dN
 E 
 E 
 E 
P  
 , T 
 ,  

 V S , N
 S V , N
 N V ,S

PV  Const.
Julho 2012
Escola do CBPF
Gas Ideal
1
P   kT
m
1
E
PV
 1
 índice adiabatica
Julho 2012
Escola do CBPF
Pressão Gravitacional para a massa M, raio R
Esfera Homogenea com massa M:
PGrav
dEGrav

,
dV
M
3 M
3  4 
M2
 G
 
 G 1/ 3 ,
5
R
5 3 
V
EGrav
PGrav  Const. M
Julho 2012
1/ 3
2
2/ 3
 .
4/ 3
Escola do CBPF
P
Pgas (, T =const)
Pgrav ( =const)
MJeans
Julho 2012
M
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
A massa limite de
Jeans
Julho 2012
Escola do CBPF
Energia gravitacional transformada
em calor no colapso adiabático,
aumentando a temperatura do gás
Teorema virial
∆Egrav / 2 = ∆ Eint-gas
Julho 2012
Escola do CBPF
Formação de Estrelas no meio interstelar
galaxia
Meio Interstelar
Caroço denso
~1/10 pc
~10 000 pc
~10 pc
Objetos
Estrelares
jovens e fluxo
estrelas
Julho 2012
Escola do CBPF
Caminho para a sequencia
principal
Julho 2012
Escola do CBPF
Caminhos para a sequencia
principal
Julho 2012
Escola do CBPF
A diversidade de nuclídios
Qual a origem ???
Evolução Stelar
e
Nucleossíntese
Processos explosivos e a
formação de elementos
pesados
Julho 2012
Escola do CBPF
B
A
Cinza do A+B
Julho 2012
Escola do CBPF
Energia disponível
DE=EA + EB –ECinza
EB
EA
E( Cinza A+B)
Julho 2012
Escola do CBPF
Relação de Einstein
E=Mc2
DE=(Massa Inicial – Massa Final)c2
Julho 2012
Escola do CBPF
Valor Q
A+B
C+D
Q   M A  M B  MC  M D  c
2
Se Q>0, Reações exotermicas
p  p  d  e 

2M pc  Md c  Me c  1.442MeV
2
Julho 2012
2
2
Escola do CBPF
Teoria de reações seus mecanismos e modelos o
papel dos modelos nucleares
Julho 2012
Escola do CBPF
Seção de choque
Taxa de reação
 8 

  
  
Julho 2012
1
2

1
kT 
3
2
 E 
0  E E exp   kT dE
Escola do CBPF
A cadeia pp I
Julho 2012
Escola do- CBPF
A cadeia pp II
³He + 4He
→
7Be
7Be
+ e−
→
7Li
+ ¹H
→
4He
7Li
+γ
+ νe
+ 4He
A cadeia pp III
Julho 2012
³He + 4He
→
7Be
7Be
→
8B
8B
→
8Be
+ e + + νe
8Be
↔
4He
+ 4He
+ ¹H
+γ
+γ
Escola do CBPF
As reações
principais do ciclo
CNO
12C
+ ¹H
13N
13N
+γ
+1,95 MeV
→
13C
+ e+ + ν e
+1,37 MeV
13C
+ ¹H
→
14N
+γ
+7,54 MeV
14N
+ ¹H
→
15O
+γ
+7,35 MeV
→
15N
+ e+ + νe
+1,86 MeV
→
12C
+ 4He
+4,96 MeV
15O
15N
Julho 2012
→
+ ¹H
Escola do CBPF
O problema dos neutrinos
solares
Julho 2012
Escola do CBPF
Rev. Bras. Ensino Fís. v.27 n.4 São Paulo out./dez. 2005
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
QUEIMA DO HÉLIO
Processo-e e
formação do grupo
do Ferro
AstroPhysics L2 2003
Julho 2012
14
Escola do CBPF
Estrelas massivas no final de seu ciclo
evolutivo
Julho 2012
Escola do CBPF
Colapso do Núcleo de Ferro

Fe



1.4 Mo
Diâmetro:1000 km
Temperatura: 6 x 109 K
Densidade: 6 x 109 g/cm3
Colapso Do Núcleo De Ferro

Grande produção de raios-gama (gama Burst) e de
neutrinos
56
Fe
4
= 13 He + 4n
p+e=n+
Processo Urca




Os neutrinos formados “transportam” a
energia rapidamente para fora das camadas
da estrela. (Gamov e Schönberg )
(Z,A) + e => (Z-1,A) + e
(Z-1,A) => (Z,A) + e + e
Gamov comparou essa perda rápida ao
dinheiro perdido rapidamente no cassino da
Urca no Rio de Janeiro.
Julho 2012
Escola do CBPF
O pulsar remanescente
Before
After
SN1987-a
Julho 2012
Escola do CBPF
Supernova 1998S in
NGC 3877
Julho 2012
Escola do CBPF
Nebulosa de Caranguejo e seu
Pulsar
Julho 2012
Escola do CBPF
Hidrodinamica em 1- D
Mezzacappa et al., PRL 86 (2001) 1935
Rampp & Janka,
ApJ 539 (2000) L33
Simulação esfericamente simetrica, Newtoniana and com
tratamento da Relatividade Geral, com os mais avançadas
abordagens transporte de neutrinos, a explosão falhou !!!
Julho 2012
Escola do CBPF
Principais ingredientes para calculos de
Supernova Type II
• Equação de estado
• Calculo Hidrodinâmico incluindo o
“bounce” do caroço e efeitos da onda
de choque
• Problemas: A onda de choque amortece devido
a perda de energia por fotodissociação de
nucleos
• Transport de neutrinos
Julho 2012
Escola do CBPF
2-D Simulation : Convection
Shock Wave
at 1400 km
Proto Neutron Star
Julho 2012
1600 km
Escola do CBPF
Uma hidrodinâmica esquemática
Julho 2012
Escola do CBPF
Conteúdo cinético e campo de velocidade nas
CAMADAS HOMOGENIAS
Campo vel. Camada 1
Campo vel. Camada 2
Julho 2012
Escola de Verao - CBPF
Energia cinética total
Julho 2012
Escola do CBPF
Energia Gravitacional
Energia Interna do meio estelar
Julho 2012
Escola do CBPF
A EQUAÇÃO DE MOVIMENTO
Julho 2012
Escola do CBPF
Força dep. Velocidades
Julho 2012
Força gravitacional
Força de Pressão
Escola do CBPF
Resolvendo .... EXPLODE !!!
Dependendo da massa, e também da
Eq.Equação de Estado... Pode NÃO EXPLODIR
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
A questão da nucleossíntese explosiva em Supernova
Nucleossíntese
explosiva
AstroPhysics L2 2003
Julho 2012
3
Escola do CBPF
Processos De Captura De Nêutrons

Processo S: Responsável pela formação de
núcleos estáveis com massa até 210.

Processo R: Responsável pelo aumento de
mais isótopos ricos de nêutrons.
Papel das Supernovas para Formação de
Elementos Pesado – O Processo-r
Julho 2012
Escola do CBPF
Percursos do Processo-r
Julho 2012
Escola do CBPF
Os núcleos com números mágicos ( N=50,
82, 126) são particularmente abundante
(Z,N) + n
(Z,N+1) + n
(Z, N+1)
(Z, N+2)
.
.
. continuar indefinidamente.
Porém este processo não vai
Quando um núcleo ficar muito rico em nêutrons começa a
reemiti-los, através da foto-emissão de nêutrons:
(Z,N) + 
(Z, N-1) + n
Pode se estabelecer uma cadeia de
isótopos em equilíbrio entre os dois
processos de captura e foto-emissão
(Z, N-1) + n
(Z, N) + n
(Z, N+1) + n
Julho 2012
( Z,N) + 
(Z,N+1) + 
(Z,N+2) + 
Escola do CBPF
Equações de síntese no processo-r
Em equílibrio γn
nγ
O “freeze out” do processo-r
Julho 2012
Escola do CBPF
Abundancias geradas no Freeze out e processos
que acompanham o decaimento-beta
-Fissão
-Emissão de neutrons retardados
Julho 2012
Escola do CBPF
Dinâmica do processo-r com ventos de neutrinos
Absorção
ν + (Z,A)
-Dificuldades no tratamento individual : mais de
2000 núcleos envolvidos – inviável o calculo de
estrutura via teorias microscópicas - RPA
Julho 2012
Escola do CBPF
Testando o calculo para o decaimento-β
Julho 2012
Escola do CBPF
Testando o calculo com GT para a
captura eletrônica
Julho 2012
Escola do CBPF
Previsões para absorção de neutrinos
Julho 2012
Escola do CBPF
E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, F. Hoyle, Synthesis of the
Elements in Stars, Rev. Mod. Phys. 29 (1957) 547
D. D. Clayton, “Stellar evolution and Nucleosynthesis", McGraw-Hill,
1968; Universidad de Chicago, 1983.
Julho 2012
Escola do CBPF
Comparando tamanhos
Terra
Julho 2012
Anã Branca
Estrela de neutron
Escola do CBPF
Anãs Explosivas: Reações Pycnonucleares
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Limite de Chandrasekhar


Julho 2012
Maxima mass de anãs
1.4 massa solar
S. Chandrasekhar (1910-95)
Acima disso, mesmo a pressão de
eletrons degenerados não consegue
balancear a ação gravitacional
Escola do CBPF
Gravitational Pressure for a star of mass M
Homogeneous sphere of mass M:
PGrav
dEGrav

,
dV
3 M
3  4 
M2
 G
 
 G 1/ 3 ,
5
R
5 3 
V
1/ 3
2
EGrav
PGrav  Const. M
Julho 2012
M
2/ 3
 .
4/ 3
Escola do CBPF
Log(P)
PGrav  
4/3
Log()
Julho 2012
Escola do CBPF
Pressão
Estrela de Neutron
Log(P)
Força Nuclear
Pgrav(M>)
Gas de eletrons relativistico
degenerado
Equilibrium (anã branca)
Gas de eletrons não relativistico degenerado
Pgrav(M<)
Log()

PV  Const.
Gravitacional Implosion
Supernovas
Log(P)
Quark stars ?
Nuclear Equation of State
D
DM
Log()
Julho 2012
Escola do - CBPF
Strange/Quark stars
Varios
modelos de
Interior da
“Neutron
Stars”：
Strange
Stars?
F. Weber
Julho 2012
Escola do CBPF
Programa mundial de colisões
Ultrarelativisticas
Colisões Centrais
Julho 2012
SPS
RHIC
LHC
s1/2(GeV)
17
200 7000-14000
e (GeV/fm3)
2.5
3.5
15-40
tQGP (fm/c)
<1
1.5-4.0
4-10
Escola do CBPF
A Transição de fase hadron-quark
The canonical diagram to hadronic and quark matter states
Julho 2012
Escola do CBPF
Cálculos de QCD na rede
indicam a ocorrência da transição
Julho 2012
Escola do CBPF
Indícios de possível formação matéria
quark estranha em aceleradores
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Diferentes regimes da matéria em
Estrelas Neutron
Fase subnuclear
Cristal Nuclear + gás de elétrons
Gás de Núcleos + gás de elétrons
Cristal nuclear + gás de nêutrons + gás de elétrons
Fase Hadrônica
Bários + mesons + elétrons + múons
Fase Quark-Gluon-Plasma (QGP)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
1011 g/cm3 ≥ ρ ≥ 107-8 g/cm
3
Fase subnuclear cristalina +
eletrons
Equação de Baym, Pethick and Sutherland(BBS)
Astrophys. J. (1971)
1011 g/cm3 ≥ ρ ≥ 108 g/cm3
. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. .
.
.
.
.
.
.
.
Fase subnuclear cristalina com neutrons livres
Equação de Baym, Bethe and Pethick (BBP)
Fase Hadronica ρ > ρ0
Quantum Hadrodinamica – Walecka (1974)
+ leptons presentes no meio (eletrons, muons)
+ setor mesonico (σ ; ω ; ρ ; π ; κ ...)
Julho 2012
Escola do CBPF
Fase Hadronica
•Incluir todo o octeto bariônico with spin 1/2
•Incluir o setor leptônico compatível com os
processos de interação fraca envolvendo barios
•Incluir neutralidade de carga elétrica e
e equílibrio beta como vínculos para os
potenciais químicos barionicos e leptonicos
Neutralidade de carga eletrica
Julho 2012
Escola do CBPF
Eq. de movimento dos Campos – Walecka
-Equação Dirac p/Barions acoplada as
equações p/mesons
-Equações de Dirac p/leptons livres
Aproximação de campo médio
relativístico
Densidade escalar barionica e a massa efetiva dos barions
Densidade leptonica
Julho 2012
Escola do CBPF
Equação de estado da fase hadronica
na aproximaçã de campo medio mesonico
Julho 2012
Escola do CBPF
Uma equação
de estado
abrangente
QGP
Hadrons/leptons
Núcleos + e
Núcleos + n + e
Imagem da trasição Hadron-plamas
Julho 2012
Escola do CBPF
Quarks na composição de hadrons
no modelo padrão
Julho 2012
Escola do CBPF
Fase de plasma de QCD
ρ > ~3ρ0
• O Modelo de Sacola do MIT (1974)
• Modelos tipo Nambu Jona-Lasinio (NJL)
• O Modelo de Massa Efetiva Dinâmica (MMEF) : modelo
intermediário entre os modelos Bag MIT e NJL. Permite
descrição do confinamento dos quarks e o regime de
liberdade assintótica.
Julho 2012
Escola do CBPF
Modelo de Bag do MIT
Julho 2012
Escola do CBPF
Composição
Julho 2012
Escola do CBPF
Julho 2012
Escola do CBPF
Diagramas Massa x Raio
Julho 2012
Escola do CBPF
SQM
Mass-Radius diagram of the model with
Exo 0747-676 results
Julho 2012
Escola do CBPF
Quark-star structure and crust depth
Crust details
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• Gravitational Wave Detection
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