Um grupo de pesquisa finlandês encontrou fortes evidências da presença de matéria quark exótica dentro dos núcleos das maiores estrelas de nêutrons existentes. Eles chegaram a essa conclusão combinando resultados recentes de partículas teóricas e física nuclear com medições de ondas gravitacionais de colisões de estrelas de nêutrons.

Toda a matéria normal que nos rodeia é composta de átomos, cujos núcleos densos, compreendendo prótons e nêutrons, estão rodeados por elétrons carregados negativamente. Contudo, dentro de estrelas de nêutrons, a matéria atômica é conhecida por colapsar em matéria nuclear imensamente densa, na qual os nêutrons e prótons estão tão compactados que toda a estrela pode ser considerada um único e enorme núcleo.

Até agora, não ficou claro se a matéria nuclear nos núcleos das estrelas de nêutrons mais massivas colapsam em um estado ainda mais exótico chamado matéria de quark, em que os próprios núcleos não existem mais. Pesquisadores da Universidade de Helsinque afirmam agora que a resposta a essa pergunta é sim. Os novos resultados foram publicados em Física da Natureza .

"Confirmar a existência de núcleos de quark dentro de estrelas de nêutrons tem sido um dos objetivos mais importantes da física de estrelas de nêutrons desde que essa possibilidade foi considerada pela primeira vez há cerca de 40 anos, "diz o professor associado Aleksi Vuorinen do Departamento de Física da Universidade de Helsinque.

Existência muito provável

Mesmo com simulações em grande escala rodando em supercomputadores incapazes de determinar o destino da matéria nuclear dentro das estrelas de nêutrons, o grupo de pesquisa finlandês propôs uma nova abordagem para o problema. Eles perceberam que, combinando descobertas recentes de partículas teóricas e física nuclear com medições astrofísicas, pode ser possível deduzir as características e a identidade da matéria que reside dentro das estrelas de nêutrons.

Além de Vuorinen, o grupo inclui a estudante de doutorado Eemeli Annala de Helsinque, bem como seus colegas Tyler Gorda da University of Virginia, Aleksi Kurkela do CERN, e Joonas Nättilä da Columbia University.

De acordo com o estudo, a matéria que reside dentro dos núcleos das estrelas de nêutrons estáveis ​​mais massivas tem uma semelhança muito mais próxima com a matéria quark do que com a matéria nuclear comum. Os cálculos indicam que nessas estrelas, o diâmetro do núcleo identificado como matéria quark pode exceder a metade do diâmetro da estrela de nêutrons inteira. Contudo, Vuorinen aponta que ainda existem muitas incertezas associadas à estrutura exata das estrelas de nêutrons. O que significa afirmar que a matéria quark quase certamente foi descoberta?

"Ainda há uma chance pequena, mas diferente de zero, de que todas as estrelas de nêutrons sejam compostas apenas de matéria nuclear. O que temos sido capazes de fazer, Contudo, é quantificar o que esse cenário exigiria. Resumidamente, o comportamento da matéria nuclear densa teria então de ser verdadeiramente peculiar. Por exemplo, a velocidade do som precisaria atingir quase a da luz, "Vuorinen explica.

Determinação do raio a partir de observações de ondas gravitacionais

Um fator chave que contribuiu para as novas descobertas foi o surgimento de dois resultados recentes em astrofísica observacional:a medição de ondas gravitacionais de uma fusão de estrelas de nêutrons e a detecção de estrelas de nêutrons muito massivas, com massas próximas a duas massas solares.

No outono de 2017, os observatórios LIGO e Virgo detectados, pela primeira vez, ondas gravitacionais geradas por duas estrelas de nêutrons em fusão. Esta observação estabeleceu um limite superior rigoroso para uma quantidade chamada deformabilidade de maré, que mede a suscetibilidade da estrutura de uma estrela em órbita ao campo gravitacional de sua companheira. Este resultado foi posteriormente usado para derivar um limite superior para os raios das estrelas de nêutrons em colisão, que acabou sendo cerca de 13 km.

De forma similar, enquanto a primeira observação de uma estrela de nêutrons data de 1967, medições precisas de massa dessas estrelas só foram possíveis nos últimos 20 anos ou mais. A maioria das estrelas com massas conhecidas com precisão caem dentro de uma janela entre 1 e 1,7 massas estelares, mas a última década testemunhou a detecção de três estrelas alcançando ou possivelmente ultrapassando ligeiramente o limite de duas massas solares.

Outras observações são esperadas

Um tanto contra-intuitivamente, informações sobre raios e massas de estrelas de nêutrons já reduziram consideravelmente as incertezas associadas às propriedades termodinâmicas da matéria estelar de nêutrons. Isso também permitiu completar a análise apresentada pelo grupo de pesquisa finlandês em seu Física da Natureza artigo.

Na nova análise, as observações astrofísicas foram combinadas com resultados teóricos de última geração da física de partículas e nuclear. Isso permitiu derivar uma previsão precisa para o que é conhecido como a equação de estado da matéria estelar de nêutrons, que se refere à relação entre sua pressão e densidade de energia. Um componente integral neste processo foi um resultado bem conhecido da relatividade geral, que relaciona a equação de estado a uma relação entre os valores possíveis dos raios e massas da estrela de nêutrons.

Desde o outono de 2017, uma série de novas fusões de estrelas de nêutrons foram observadas, e LIGO e Virgo rapidamente se tornaram parte integrante da pesquisa de estrelas de nêutrons. É esse rápido acúmulo de novas informações de observação que desempenha um papel fundamental na melhoria da precisão das novas descobertas do grupo de pesquisa finlandês, e na confirmação da existência de matéria quark dentro das estrelas de nêutrons. Com mais observações esperadas em um futuro próximo, as incertezas associadas aos novos resultados também diminuirão automaticamente.

"Há razões para acreditar que a era de ouro da astrofísica das ondas gravitacionais está apenas começando, e que em breve testemunharemos muitos outros saltos como este em nossa compreensão da natureza, "Vuorinen se alegra.