Mesclando experimentos de física nuclear e observações astronômicas para avançar na pesquisa de equações de estado
Uma equipe de pesquisa - liderada por William Lynch e Betty Tsang da Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) - usou 20 anos de dados experimentais de instalações de aceleradores e observações de estrelas de nêutrons para entender como as partículas interagem na matéria nuclear sob uma ampla gama de condições extremas. A equipe publicou recentemente suas descobertas na Nature Astronomy . Crédito:Instalação para feixes de isótopos raros Para a maioria das estrelas, as estrelas de nêutrons e os buracos negros são seus locais de descanso final. Quando uma estrela supergigante fica sem combustível, ela se expande e depois colapsa rapidamente sobre si mesma. Este ato cria uma estrela de nêutrons – um objeto mais denso que o nosso Sol, amontoado em um espaço de 21 a 30 quilômetros de largura. Num ambiente estelar tão fortemente condensado, a maioria dos electrões combinam-se com protões para formar neutrões, resultando numa densa bola de matéria constituída principalmente por neutrões. Os pesquisadores tentam entender as forças que controlam esse processo criando matéria densa em laboratório por meio da colisão de núcleos ricos em nêutrons e fazendo medições detalhadas.
Uma equipe de pesquisa – liderada por William Lynch e Betty Tsang da Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) – está focada em aprender sobre nêutrons em ambientes densos. Lynch, Tsang e seus colaboradores usaram 20 anos de dados experimentais de instalações de aceleradores e observações de estrelas de nêutrons para entender como as partículas interagem na matéria nuclear sob uma ampla gama de densidades e pressões. A equipe queria determinar como a proporção entre nêutrons e prótons influencia as forças nucleares em um sistema. A equipe publicou recentemente suas descobertas na Nature Astronomy .
"Na física nuclear, estamos muitas vezes confinados ao estudo de pequenos sistemas, mas sabemos exactamente quais são as partículas nos nossos sistemas nucleares. As estrelas proporcionam-nos uma oportunidade inacreditável, porque são grandes sistemas onde a física nuclear desempenha um papel vital, mas nós não sabemos com certeza quais partículas estão em seus interiores", disse Lynch, professor de física nuclear na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da Michigan State University (MSU).
"Eles são interessantes porque a densidade varia muito dentro de sistemas tão grandes. As forças nucleares desempenham um papel dominante dentro deles, mas sabemos comparativamente pouco sobre esse papel."
Quando uma estrela com massa 20 a 30 vezes maior que a do Sol esgota seu combustível, ela esfria, entra em colapso e explode em uma supernova. Após esta explosão, apenas a matéria na parte mais profunda do interior da estrela se aglutina para formar uma estrela de nêutrons. Esta estrela de nêutrons não tem combustível para queimar e, com o tempo, irradia o calor restante para o espaço circundante.
Os cientistas esperam que a matéria no núcleo exterior de uma estrela de neutrões fria seja aproximadamente semelhante à matéria dos núcleos atómicos, mas com três diferenças:as estrelas de neutrões são muito maiores, são mais densas no seu interior e uma fração maior dos seus núcleons são neutrões. Nas profundezas do núcleo interno de uma estrela de nêutrons, a composição da matéria da estrela de nêutrons permanece um mistério.
"Se as experiências pudessem fornecer mais orientação sobre as forças que actuam nos seus interiores, poderíamos fazer melhores previsões da sua composição interior e das transições de fase dentro delas. As estrelas de neutrões apresentam uma grande oportunidade de investigação para combinar estas disciplinas," disse Lynch.
Instalações de aceleradores como o FRIB ajudam os físicos a estudar como as partículas subatômicas interagem sob condições exóticas que são mais comuns em estrelas de nêutrons. Quando os pesquisadores comparam esses experimentos com observações de estrelas de nêutrons, eles podem calcular a equação de estado (EOS) de partículas interagindo em ambientes densos e de baixa temperatura.
A EOS descreve a matéria em condições específicas e como as suas propriedades mudam com a densidade. Resolver o EOS para uma ampla gama de configurações ajuda os pesquisadores a compreender os efeitos da força nuclear forte em objetos densos, como estrelas de nêutrons, no cosmos. Também nos ajuda a aprender mais sobre as estrelas de nêutrons à medida que esfriam.
“Esta é a primeira vez que reunimos uma riqueza de dados experimentais para explicar a equação de estado sob estas condições, e isto é importante”, disse Tsang, professor de ciência nuclear na FRIB. "Esforços anteriores usaram a teoria para explicar a extremidade de baixa densidade e baixa energia da matéria nuclear. Queríamos usar todos os dados que tínhamos disponíveis de nossas experiências anteriores com aceleradores para obter uma equação de estado abrangente."
Os pesquisadores que procuram o EOS geralmente o calculam em temperaturas mais altas ou densidades mais baixas. Eles então tiram conclusões para o sistema em uma gama mais ampla de condições. No entanto, os físicos compreenderam nos últimos anos que uma EOS obtida a partir de uma experiência só é relevante para uma gama específica de densidades.
Como resultado, a equipe precisou reunir dados de uma variedade de experimentos com aceleradores que usaram diferentes medições de núcleos em colisão para substituir essas suposições por dados. “Neste trabalho, fizemos duas perguntas”, disse Lynch. "Para uma determinada medição, que densidade essa medição sonda? Depois disso, perguntamos o que essa medição nos diz sobre a equação de estado nessa densidade."
No seu artigo recente, a equipa combinou as suas próprias experiências em instalações de aceleradores nos Estados Unidos e no Japão. Ele reuniu dados de 12 restrições experimentais diferentes e três observações de estrelas de nêutrons. Os investigadores concentraram-se na determinação do EOS para a matéria nuclear variando entre metade e três vezes a densidade de saturação de um núcleo – a densidade encontrada no núcleo de todos os núcleos estáveis. Ao produzir esta EOS abrangente, a equipe forneceu novos padrões de referência para as comunidades maiores de física nuclear e astrofísica modelarem com mais precisão as interações da matéria nuclear.
A equipe melhorou suas medições em densidades intermediárias que as observações de estrelas de nêutrons não fornecem por meio de experimentos no Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados na Alemanha, no Centro RIKEN Nishina para Ciência Baseada em Aceleradores no Japão e no Laboratório Nacional de Ciclotron Supercondutor (antecessor do FRIB). ). Para permitir medições chave discutidas neste artigo, as suas experiências ajudaram a financiar avanços técnicos na aquisição de dados para alvos activos e câmaras de projecção temporal que estão a ser utilizadas em muitas outras experiências em todo o mundo.
