Matéria Degenerada e Anãs Brancas

Uma anã branca é o núcleo remanescente de uma estrela de massa baixa ou intermediária, do tamanho da Terra, que arrefece e é sustentada não pelo calor, mas pela pressão quântica de eletrões densamente compactados.

Definition

Matéria degenerada é matéria tão comprimida que as forças de exclusão quântica preenchem os estados de baixa energia disponíveis e fornecem uma pressão quase independente da temperatura, e uma anã branca é um remanescente estelar compacto sustentado pela pressão de degenerescência dos seus eletrões.

Scope

O tópico abrange a física da matéria degenerada por eletrões, a estrutura das anãs brancas sustentadas pela pressão de degenerescência eletrónica, a relação inversa massa-raio e a massa limite de Chandrasekhar, o arrefecimento lento das anãs brancas e a sua utilização como relógio cósmico, bem como a sua composição e cristalização.

Core questions

• O que sustenta uma anã branca se ela já não queima combustível?
• Por que anãs brancas mais massivas têm raios menores?
• Qual é a massa máxima de uma anã branca?
• Como as anãs brancas arrefecem e como isso pode datá-las?

Key concepts

• degenerescência eletrónica
• princípio de exclusão de Pauli
• relação massa-raio
• limite de Chandrasekhar
• arrefecimento de anãs brancas
• núcleo de carbono-oxigénio
• cristalização

Key theories

Pressão de degenerescência eletrónica

Em densidades de anãs brancas, os eletrões são forçados a um estado degenerado no qual o princípio de exclusão de Pauli fornece uma pressão que depende da densidade, mas quase não da temperatura, permitindo que um remanescente frio resista à gravidade indefinidamente.

O limite de massa de Chandrasekhar

À medida que uma anã branca ganha massa, ela encolhe, e quando os eletrões se tornam relativísticos, a pressão já não consegue acompanhar a gravidade; acima do limite de Chandrasekhar de cerca de 1,4 massas solares, nenhuma anã branca estável existe, um resultado central para as supernovas tipo Ia.

Mechanisms

Quando uma estrela de massa baixa ou intermediária expele a sua camada exterior, o seu núcleo quente de carbono-oxigénio permanece como uma anã branca, na qual eletrões densamente compactados fornecem pressão de degenerescência que equilibra a gravidade sem qualquer fonte de calor. Sem fusão, o remanescente simplesmente irradia a sua energia térmica armazenada e arrefece ao longo de milhares de milhões de anos, eventualmente cristalizando.

Clinical relevance

As anãs brancas são o remanescente estelar mais comum e um relógio cósmico fundamental: as suas idades de arrefecimento datam populações estelares, o limite de Chandrasekhar governa as supernovas tipo Ia usadas como velas padronizáveis para a cosmologia, e a sua física forneceu a primeira prova de que a degenerescência quântica sustenta as estrelas.

History

Fowler aplicou as novas estatísticas quânticas às anãs brancas em 1926, Chandrasekhar derivou a massa limite em 1931 apesar da resistência de Eddington, e Mestel desenvolveu a teoria do arrefecimento das anãs brancas na década de 1950 que sustenta a sua utilização como cronómetros cósmicos.

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Ralph Fowler
• Arthur Eddington
• Leon Mestel

Seminal works

• chandrasekhar1931
• shapiro1983

Frequently asked questions

Por que uma anã branca não colapsa mesmo não queimando combustível?

O seu suporte provém da pressão de degenerescência eletrónica, um efeito quântico que não requer calor; mesmo enquanto a anã branca arrefece em direção à temperatura zero, esta pressão persiste e continua a sustentá-la contra a gravidade.

Por que existe uma massa máxima para as anãs brancas?

Adicionar massa torna uma anã branca mais densa e menor, forçando os seus eletrões a moverem-se perto da velocidade da luz; eletrões relativísticos fornecem menos pressão para uma dada compressão, então acima de cerca de 1,4 massas solares a gravidade supera o suporte e a estrela não pode permanecer uma anã branca estável.