23.E: A morte das estrelas (exercícios)

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Para mais explicações

Artigos

Morte das Estrelas

Hillebrandt, W., et al. “Como explodir uma estrela.” Scientific American (outubro de 2006): 42. Sobre mecanismos de supernova.

Irion, R. “Perseguindo as estrelas mais extremas”. Astronomia (janeiro de 1999): 48. Nos pulsares.

Kalirai, J. “Uma nova luz sobre o destino do nosso sol”. Astronomia (fevereiro de 2014): 44. O que acontecerá com estrelas como o nosso Sol entre a sequência principal e os estágios da anã branca.

Kirshner, R. “Supernova 1987A: Os primeiros dez anos”. Sky & Telescope (fevereiro de 1997): 35.

Maurer, S. “Tomando o pulso de estrelas de nêutrons”. Sky & Telescope (agosto de 2001): 32. Revisão de ideias e observações recentes de pulsares.

Zimmerman, R. “Into the Maelstrom”. Astronomia (novembro de 1998): 44. Sobre a Nebulosa do Caranguejo.

Explosões de raios gama

Fox, D. e Racusin, J. “A explosão mais brilhante”. Sky & Telescope (janeiro de 2009): 34. Belo resumo da explosão mais brilhante observada até agora e do que aprendemos com ela.

Nadis, S. “Os flashes cósmicos revelam segredos do universo infantil?” Astronomia (junho de 2008): 34. Sobre diferentes tipos de explosões de raios gama e o que podemos aprender com elas.

Naeye, R. “Dissecando as explosões da destruição”. Sky & Telescope (agosto de 2006): 30. Excelente análise das explosões de raios gama — como as descobrimos, o que elas podem ser e para que podem ser usadas para sondar o universo.

Zimmerman, R. “A velocidade importa”. Astronomia (maio de 2000): 36. Nas redes de alerta rápido para encontrar resplandecentes.

Zimmerman, R. “Testemunha de colisões cósmicas”. Astronomia (julho de 2006): 44. Sobre a missão Swift e o que ela está ensinando aos astrônomos sobre explosões de raios gama.

Websites

Morte das Estrelas

Nebulosa do Caranguejo: http://chandra.harvard.edu/xray_sources/crab/crab.html. Uma introdução curta e colorida à história e à ciência envolvendo o remanescente de supernova mais conhecido.

Introdução às estrelas de nêutrons: https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html. Coleman Miller, da Universidade de Maryland, mantém este site, que vai de fácil a difícil à medida que você entra nele, mas contém muitas informações boas sobre cadáveres de estrelas massivas.

Introdução aos pulsares (de Maryam Hobbs no Australia National Telescope Facility): http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html.

Magnetares, repetidores de gama suave e campos magnéticos muito fortes: http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html. Robert Duncan, um dos criadores da ideia de estrelas magnéticas, montou este site há alguns anos.

Explosões de raios gama

Breve introdução às explosões de raios gama (de Seeing in the Dark, da PBS): http://www.pbs.org/seeinginthedark/astronomy-topics/gamma-ray-bursts.html.

Descoberta de explosões de raios gama: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1997/ast19sep97_2/.

Explosões de raios gama: introdução a um mistério (no site Imagine the Universe da NASA): http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html.

Introdução do site Swift Satellite: swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html.

Missões para detectar e aprender mais sobre explosões de raios gama:

Telescópio Espacial Fermi: http://fermi.gsfc.nasa.gov/public/.
Nave espacial INTEGRAL: www.esa.int/science/integral.
Nave espacial SWIFT: swift.sonoma.edu/.

Vídeos

Morte das Estrelas

Entrevista da BBC com Antony Hewish: http://www.bbc.co.uk/archive/scientists/10608.shtml. (40:54).

Black Widow Pulsares: Os cadáveres vingativos das estrelas: https://www.youtube.com/watch?v=Fn-3G_N0hy4. Uma palestra pública na Série de Palestras de Astronomia do Vale do Silício pelo Dr. Roger Romani (Universidade de Stanford) (1:01:47).

Hubblecast 64: Tudo termina com um estrondo! : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast64a/. Programa HubbleCast apresentando Supernovas com o Dr. Joe Liske (9:48).

Filme espacial revela segredos chocantes do Crab Pulsar: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2002/24/video/c/. Uma sequência de imagens do Telescópio Espacial Hubble e Chandra das regiões centrais da Nebulosa do Caranguejo foi reunida em um filme muito breve acompanhado por uma animação que mostra como o pulsar afeta seu ambiente; ele vem com algum material de fundo útil (40:06).

Explosões de raios gama

Explosões de raios gama: as maiores explosões desde o Big Bang! : https://www.youtube.com/watch?v=ePo_EdgV764. Edo Berge em uma palestra de nível popular em Harvard (58:50).

Explosões de raios gama: flashes no céu: https://www.youtube.com/watch?v=23EhcAP3O8Q. Boletim de Ciências do Museu Americano de História Natural no satélite Swift (5:59).

Visão geral da animação do Gamma-Ray Burst: http://news.psu.edu/video/296729/2013/11/27/overview-animation-gamma-ray-burst. Breve animação do que causa uma explosão de raios gama de longa duração (0:55).

Atividades colaborativas em grupo

Alguém do seu grupo usa um grande telescópio para observar uma camada de gás em expansão. Discuta quais medidas você pode fazer para determinar se você descobriu uma nebulosa planetária ou o remanescente de uma explosão de supernova.
A estrela Sirius (a estrela mais brilhante em nossos céus do norte) tem uma companheira anã branca. Sirius tem uma massa de cerca de 2\(M_{\text{Sun}}\) e ainda está na sequência principal, enquanto seu companheiro já é um cadáver de estrela. Lembre-se de que uma anã branca não pode ter uma massa maior que 1,4\ (M_ {\ text {Sun}} |). Supondo que as duas estrelas se formaram ao mesmo tempo, seu grupo deve discutir como Sirius poderia ter uma companheira anã branca. Dica: A massa inicial da estrela anã branca era maior ou menor do que a de Sirius?
Discuta com seu grupo o que as pessoas de hoje fariam se uma estrela brilhante se tornasse visível repentinamente durante o dia? Que tipo de medo e superstição poderiam resultar de uma supernova que estava realmente brilhante em nossos céus? Peça ao seu grupo que invente algumas manchetes que os tablóides e os veículos de notícias menos responsáveis da web apresentariam.
Suponha que uma supernova tenha explodido a apenas 40 anos-luz da Terra. Faça com que seu grupo discuta quais efeitos podem ocorrer na Terra quando a radiação chegar até nós e mais tarde quando as partículas chegarem até nós. Haveria alguma maneira de proteger as pessoas dos efeitos da supernova?
Quando os pulsares foram descobertos, os astrônomos envolvidos na descoberta falaram sobre encontrar “homenzinhos verdes”. Se você estivesse no lugar deles, quais testes você teria realizado para ver se essa fonte pulsante de ondas de rádio era natural ou o resultado de uma inteligência alienígena? Hoje, vários grupos ao redor do mundo estão procurando ativamente por possíveis sinais de rádio de civilizações inteligentes. Como você pode esperar que esses sinais sejam diferentes dos sinais de pulsar?
Seu irmãozinho, que ainda não teve o benefício de um curso de astronomia, lê sobre anãs brancas e estrelas de nêutrons em uma revista e decide que seria divertido chegar perto delas ou até mesmo tentar pousar nelas. Essa é uma boa ideia para o turismo futuro? Peça ao seu grupo que faça uma lista dos motivos pelos quais não seria seguro para crianças (ou adultos) se aproximarem de uma anã branca e de uma estrela de nêutrons.
Muito tempo dos astrônomos e muitos instrumentos foram dedicados a descobrir a natureza das explosões de raios gama. Seu grupo compartilha a empolgação que os astrônomos sentem com esses misteriosos eventos de alta energia? Quais são algumas das razões pelas quais pessoas fora da astronomia podem se preocupar em aprender sobre explosões de raios gama?

Perguntas de revisão

Como uma anã branca difere de uma estrela de nêutrons? Como funciona cada formulário? O que impede cada um de entrar em colapso sob seu próprio peso?
Descreva a evolução de uma estrela com uma massa semelhante à do Sol, desde a fase da sequência principal de sua evolução até se tornar uma anã branca.
Descreva a evolução de uma estrela massiva (digamos, 20 vezes a massa do Sol) até o ponto em que ela se torna uma supernova. Como a evolução de uma estrela massiva difere da do Sol? Por quê?
Como os dois tipos de supernovas discutidos neste capítulo diferem? Que tipo de estrela dá origem a cada tipo?
Uma estrela começa sua vida com uma massa de 5\(M_{\text{Sun}}\), mas termina sua vida como uma anã branca com uma massa de 0,8\(M_{\text{Sun}}\). Liste os estágios da vida da estrela durante os quais ela provavelmente perdeu parte da massa com a qual começou. Como a perda de massa ocorreu em cada estágio?
Se a formação de uma estrela de nêutrons levar à explosão de uma supernova, explique por que apenas três das centenas de pulsares conhecidos são encontrados nos remanescentes da supernova.
Como a Nebulosa do Caranguejo pode brilhar com a energia de algo como 100.000 sóis quando a estrela que formou a nebulosa explodiu há quase 1000 anos? Quem “paga as contas” de grande parte da radiação que vemos vindo da nebulosa?
Como uma nova é diferente de uma supernova do tipo Ia? Como ela difere de uma supernova do tipo II?
Além das massas, como os sistemas binários com uma estrela de nêutrons são diferentes dos sistemas binários com uma anã branca?
Quais observações do SN 1987A ajudaram a confirmar as teorias sobre supernovas?
Descreva a evolução de uma anã branca ao longo do tempo, em particular como a luminosidade, a temperatura e o raio mudam.
Descreva a evolução de um pulsar ao longo do tempo, em particular como a rotação e o sinal de pulso mudam com o tempo.
Como uma anã branca formada a partir de uma estrela que tinha uma massa inicial de 1\(M_{\text{Sun}}\) seria diferente de uma anã branca formada a partir de uma estrela que tinha uma massa inicial de 9\(M_{\text{Sun}}\)?
O que os astrônomos acham que são as causas de explosões de raios gama de maior duração e explosões de raios gama de curta duração?
Como os astrônomos finalmente resolveram o mistério do que eram explosões de raios gama? Quais instrumentos foram necessários para encontrar a solução?

Perguntas de reflexão

Organize as seguintes estrelas em ordem de evolução:
1. Uma estrela sem reações nucleares acontecendo no núcleo, que é feita principalmente de carbono e oxigênio.
2. Uma estrela de composição uniforme do centro à superfície; ela contém hidrogênio, mas não tem reações nucleares acontecendo no núcleo.
3. Uma estrela que está fundindo hidrogênio para formar hélio em seu núcleo.
4. Uma estrela que está fundindo hélio com carbono no núcleo e hidrogênio com hélio em uma concha ao redor do núcleo.
5. Uma estrela que não tem reações nucleares acontecendo no núcleo, mas está fundindo hidrogênio para formar hélio em uma concha ao redor do núcleo.
Você esperaria encontrar alguma anã branca na Nebulosa de Orion? (Veja O Nascimento das Estrelas e a Descoberta de Planetas fora do Sistema Solar para se lembrar de suas características.) Por que ou por que não?
Suponha que nenhuma estrela mais massiva do que cerca de 2\ (M_ {\ text {Sun}} |) tenha se formado. A vida como a conhecemos teria sido capaz de se desenvolver? Por que ou por que não?
Você estaria mais propenso a observar uma supernova do tipo II (a explosão de uma estrela massiva) em um aglomerado globular ou em um aglomerado aberto? Por quê?
Os astrônomos acreditam que há algo como 100 milhões de estrelas de nêutrons na galáxia, mas só encontramos cerca de 2000 pulsares na Via Láctea. Dê vários motivos pelos quais esses números são tão diferentes. Explique cada motivo.
Você esperaria observar cada supernova em nossa própria galáxia? Por que ou por que não?
A Grande Nuvem de Magalhães tem cerca de um décimo do número de estrelas encontradas em nossa própria galáxia. Suponha que a mistura de estrelas de alta e baixa massa seja exatamente a mesma nas duas galáxias. Aproximadamente com que frequência uma supernova ocorre na Grande Nuvem de Magalhães?
Veja a lista das estrelas mais próximas no Apêndice I. Você esperaria que alguma delas se tornasse supernova? Por que ou por que não?
Se a maioria das estrelas se tornam anãs brancas no final de suas vidas e a formação de anãs brancas é acompanhada pela produção de uma nebulosa planetária, por que existem mais anãs brancas do que nebulosas planetárias na galáxia?
Se uma\(M_{\text{Sun}}\) estrela 3 e 8 se formassem juntas em um sistema binário, qual estrela seria:
1. Evoluir da sequência principal primeiro?
2. Formar uma anã branca rica em carbono e oxigênio?
3. Seja o local para uma explosão de uma nova?
Você descobriu dois aglomerados estelares. O primeiro enxame contém principalmente estrelas da sequência principal, junto com algumas estrelas gigantes vermelhas e algumas anãs brancas. O segundo aglomerado também contém principalmente estrelas da sequência principal, junto com algumas estrelas gigantes vermelhas e algumas estrelas de nêutrons, mas nenhuma estrela anã branca. Quais são as idades relativas dos clusters? Como você determinou sua resposta?
Um remanescente de supernova foi descoberto recentemente e descobriu que tinha aproximadamente 150 anos de idade. Forneça os possíveis motivos pelos quais essa explosão de supernova escapou da detecção.
Com base na evolução das estrelas, coloque os seguintes elementos na ordem do menos para o mais comum na galáxia: ouro, carbono, néon. Quais aspectos da evolução estelar formaram a base de como você ordenou os elementos?
Quais observações ou tipos de telescópios você usaria para distinguir um sistema binário que inclui uma estrela da sequência principal e uma estrela anã branca de um que contém uma estrela da sequência principal e uma estrela de nêutrons?
Como os espectros de uma supernova do tipo II seriam diferentes de uma supernova do tipo Ia? Dica: considere as características dos objetos que são sua origem.

Descobrindo por si mesmo

O anel em torno da SN 1987A (Figura\(23.3.4\) na Seção 23.3) inicialmente ficou iluminado quando fótons energéticos da supernova interagiram com o material no anel. O raio do anel é de aproximadamente 0,75 anos-luz da localização da supernova. Quanto tempo depois da supernova o anel ficou iluminado?
O que é a aceleração da gravidade (\(g\)) na superfície do Sol? (Consulte o Apêndice E para ver as principais características do Sol.) Quanto maior é isso do que g na superfície da Terra? Calcule o que você pesaria na superfície do Sol. Seu peso seria seu peso na Terra multiplicado pela razão entre a aceleração da gravidade no Sol e a aceleração da gravidade na Terra. (Ok, sabemos que o Sol não tem uma superfície sólida para se apoiar e que você seria vaporizado se estivesse na fotosfera do Sol. Encante-nos com o objetivo de fazer esses cálculos.)
Qual é a velocidade de escape do Sol? Quanto é maior do que a velocidade de escape da Terra?
Qual é a densidade média do Sol? Como isso se compara à densidade média da Terra?
Digamos que uma anã branca em particular tenha a massa do Sol, mas o raio da Terra. Qual é a aceleração da gravidade na superfície da anã branca? Quanto maior é isso do que\(g\) na superfície da Terra? Quanto você pesaria na superfície da anã branca (novamente nos concedendo a noção duvidosa de que você poderia sobreviver lá)?
Qual é a velocidade de escape da anã branca no exercício anterior (5)? Quanto é maior do que a velocidade de escape da Terra?
Qual é a densidade média da anã branca no Exercício 5? Como isso se compara à densidade média da Terra?
Agora pegue uma estrela de nêutrons que tem o dobro da massa do Sol, mas um raio de 10 km. Qual é a aceleração da gravidade na superfície da estrela de nêutrons? Quanto maior é isso do que g na superfície da Terra? Quanto você pesaria na superfície da estrela de nêutrons (desde que, de alguma forma, você não pudesse se tornar uma poça de protoplasma)?
Qual é a velocidade de escape da estrela de nêutrons no exercício anterior (8)? Quanto é maior do que a velocidade de escape da Terra?
Qual é a densidade média da estrela de nêutrons no Exercício 8? Como isso se compara à densidade média da Terra?
Uma forma de calcular o raio de uma estrela é usar sua luminosidade e temperatura e assumir que a estrela irradia aproximadamente como um corpo negro. Os astrônomos mediram as características das estrelas centrais das nebulosas planetárias e descobriram que uma estrela central típica é 16 vezes mais luminosa e 20 vezes mais quente (cerca de 110.000 K) que o Sol. Encontre o raio em termos do Sol. Como esse raio se compara ao de uma anã branca típica?
De acordo com um modelo descrito no texto, uma estrela de nêutrons tem um raio de cerca de 10 km. Suponha que os pulsos ocorram uma vez por rotação. De acordo com a teoria relativa de Einstein, nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Verifique se esse modelo de pulsar não viola a relatividade. Calcule a velocidade de rotação do pulsar da Nebulosa do Caranguejo em seu equador, dado seu período de 0,033 s. (Lembre-se de que a distância é igual a velocidade × tempo e que a circunferência de uma circunferência é dada por\(2 \pi R\)).
Faça os mesmos cálculos do exercício anterior, mas para um pulsar que gira 1000 vezes por segundo.
Se o Sol fosse substituído por uma anã branca com uma temperatura superficial de 10.000 K e um raio igual ao da Terra, como sua luminosidade se compararia à do Sol?
Uma supernova pode ejetar material a uma velocidade de 10.000 km/s. Quanto tempo um remanescente de supernova levaria para se expandir até um raio de 1 UA? Quanto tempo seria necessário para expandir para um raio de 1 ano-luz? Suponha que a velocidade de expansão permaneça constante e use a relação:\[\text{expansion time } = \frac{\text{distance}}{\text{expansion velocity}}. \nonumber\]
Em 2007, observou-se que um remanescente de supernova estava se expandindo a uma velocidade de 14.000 km/s e tinha um raio de 6,5 anos-luz. Assumindo uma velocidade de expansão constante, em que ano essa supernova ocorreu?
O anel em torno da SN 1987A (Figura\(23.3.4\) na Seção 23.3) começou a interagir com o material impulsionado pela onda de choque da supernova a partir de 1997 (10 anos após a explosão). O raio do anel é de aproximadamente 0,75 anos-luz da localização da supernova. Com que rapidez o material da supernova está se movendo, suponha uma taxa de movimento constante em km/s?
Antes da explosão da estrela que se tornou a SN 1987A, ela evoluiu de uma supergigante vermelha para uma supergigante azul, permanecendo com a mesma luminosidade. Como uma supergigante vermelha, sua temperatura superficial teria sido de aproximadamente 4000 K, enquanto como uma supergigante azul, sua temperatura superficial era de 16.000 K. Quanto o raio mudou à medida que evoluiu de uma supergigante vermelha para uma azul?
Qual é o raio da estrela progenitora que se tornou SN 1987A? Sua luminosidade era 100.000 vezes a do Sol e tinha uma temperatura superficial de 16.000 K.
Qual é a aceleração da gravidade na superfície da estrela que se tornou SN 1987A? Como isso se\(g\) compara com o da superfície da Terra? A massa era 20 vezes a do Sol e o raio 41 vezes o do Sol.
Qual foi a velocidade de escape da superfície da estrela progenitora SN 1987A? Quanto é maior do que a velocidade de escape da Terra? A massa era 20 vezes a do Sol e o raio 41 vezes o do Sol.
Qual foi a densidade média da estrela que se tornou SN 1987A? Como isso se compara à densidade média da Terra? A massa era 20 vezes a do Sol e o raio 41 vezes o do Sol.
Se o pulsar mostrado na Figura\(23.4.3\) na Seção 23.3] estiver girando 100 vezes por segundo, quantos pulsos seriam detectados em um minuto? Os dois feixes estão localizados ao longo do equador do pulsar, que está alinhado com a Terra.