A oportunidade de medir as ondas gravitacionais de duas estrelas de nêutrons em fusão pode oferecer respostas a algumas das questões fundamentais sobre a estrutura da matéria. Nas temperaturas e densidades extremamente altas na fusão, os cientistas conjeturaram uma transição de fase na qual os nêutrons se dissolvem em seus quarks e glúons constituintes. Na edição atual de Cartas de revisão física , dois grupos internacionais de pesquisa relatam seus cálculos de como seria a assinatura de tal transição de fase em uma onda gravitacional.

Quarks, os menores blocos de construção da matéria, nunca apareça sozinho na natureza. Eles estão sempre fortemente ligados dentro de prótons e nêutrons. Contudo, estrelas de nêutrons pesando tanto quanto o sol, mas sendo do tamanho de uma cidade como Frankfurt, possuem um núcleo tão denso que pode ocorrer uma transição de matéria de nêutron para matéria de quark. Os físicos referem-se a este processo como uma transição de fase, semelhante à transição líquido-vapor na água. Em particular, tal transição de fase é, em princípio, possível quando estrelas de nêutrons mescladas formam um objeto metaestável muito massivo com densidades que excedem a dos núcleos atômicos e com temperaturas de 10, 000 vezes maior do que no centro do sol.

A medição das ondas gravitacionais emitidas pela fusão de estrelas de nêutrons pode servir como um mensageiro de possíveis transições de fase no espaço sideral. A transição de fase deve deixar uma assinatura característica no sinal da onda gravitacional. Os grupos de pesquisa de Frankfurt, Darmstadt e Ohio (Goethe University / FIAS / GSI / Kent University), bem como Darmstadt e Wroclaw (GSI / Wroclaw University) usaram supercomputadores modernos para calcular a aparência dessa assinatura. Para este propósito, eles usaram vários modelos teóricos da transição de fase.

No caso de uma transição de fase ocorrer mais após a fusão real, pequenas quantidades de quarks aparecerão gradualmente em todo o objeto mesclado. "Com a ajuda das equações de Einstein, fomos capazes de mostrar pela primeira vez que esta mudança sutil na estrutura irá produzir um desvio no sinal da onda gravitacional até que a estrela de nêutrons massiva recém-formada colapsa sob seu próprio peso para formar um buraco negro, "explica Luciano Rezzolla, que é professor de astrofísica teórica na Universidade Goethe.

Nos modelos de computador do Dr. Andreas Bauswein da GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung em Darmstadt, uma transição de fase já ocorre diretamente após a fusão - um núcleo de matéria quark se forma no interior do objeto central. "Conseguimos mostrar que, neste caso, haverá uma mudança distinta na frequência do sinal da onda gravitacional, "diz Bauswein." Assim, identificamos um critério mensurável para uma transição de fase em ondas gravitacionais de fusões de estrelas de nêutrons no futuro. "

Nem todos os detalhes do sinal da onda gravitacional são mensuráveis ​​com detectores de corrente ainda. Contudo, eles se tornarão observáveis ​​com a próxima geração de detectores, bem como com um evento de fusão relativamente próximo de nós. Uma abordagem complementar para responder às perguntas sobre a matéria de quark é oferecida por dois experimentos:Colidindo íons pesados ​​na configuração HADES existente no GSI e no futuro detector CBM na Instalação para Pesquisa de Antiprótons e Íons (FAIR), que está atualmente em construção no GSI, matéria nuclear comprimida será produzida. Nas colisões, pode ser possível criar temperaturas e densidades semelhantes às de uma fusão de estrelas de nêutrons. Ambos os métodos fornecem novos insights sobre a ocorrência de transições de fase na matéria nuclear e, portanto, sobre suas propriedades fundamentais.