Confirmar a existência de núcleos de quarks dentro de estrelas de nêutrons tem sido um dos objetivos mais importantes da física de estrelas de nêutrons nos últimos 40 anos. (Créditos da imagem: Jyrki Hokkanen/CSC - IT Center for Science).

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

Publicado originalmente por Phys.org.

Toda matéria normal que nos cerca é composta de átomos, cujos núcleos densos, compreendendo prótons e nêutrons, são cercados por elétrons carregados negativamente. No entanto, dentro das estrelas de nêutrons, a matéria atômica é conhecida por colapsar em matéria nuclear imensamente densa, na qual os nêutrons e prótons são agrupados tão firmemente que a estrela inteira pode ser considerada um único núcleo enorme.

Até agora, ainda não está claro se a matéria nuclear nos núcleos das estrelas de nêutrons mais massivas entra em colapso para um estado ainda mais exótico chamado quark matter, no qual os próprios núcleos não existem mais. Pesquisadores da Universidade de Helsinque agora afirmam que a resposta a esta pergunta é sim. Os novos resultados foram publicados na Nature Physics.

“Confirmar a existência de núcleos de quarks dentro de estrelas de nêutrons tem sido um dos objetivos mais importantes da física de estrelas de nêutrons desde que essa possibilidade foi descoberta há aproximadamente 40 anos”, disse o professor associado Aleksi Vuorinen, do Departamento de Física da Universidade de Helsinque.

Existência muito provável

Mesmo com simulações em larga escala executadas 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 da partícula teórica e da física nuclear com medições astrofísicas, seria 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, e também seus colegas Tyler Gorda, da Universidade da Virgínia, Aleksi Kurkela, do CERN, e Joonas Nättilä, da Universidade de Columbia.

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 da matéria do quark do que da matéria nuclear comum. Os cálculos indicam que nessas estrelas, o diâmetro do núcleo identificado como matéria quark pode exceder a metade do diâmetro de toda a estrela de nêutrons. No entanto, Vuorinen ressalta que ainda existem muitas incertezas associadas à estrutura exata das estrelas de nêutrons.

O que significa afirmar que a questão dos quarks quase certamente foi descoberta? “Ainda existe uma chance pequena, mas nula, de que todas as estrelas de nêutrons sejam compostas apenas por matéria nuclear. O que conseguimos fazer, no entanto, é quantificar o que esse cenário exigiria, em resumo, o comportamento da matéria nuclear densa precisaria então Verdadeiramente peculiar. Por exemplo, a velocidade do som precisaria atingir quase a da luz”, explica Vuorinen.

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 na 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.

Em 2017, os observatórios LIGO e Virgo detectaram, pela primeira vez, ondas gravitacionais geradas por duas estrelas de nêutrons em fusão. Essa observação estabeleceu um limite superior rigoroso para uma quantidade chamada deformabilidade das marés, que mede a suscetibilidade da estrutura de uma estrela em órbita ao campo gravitacional de seu companheiro. Esse resultado foi posteriormente utilizado para derivar um limite superior para os raios das estrelas em colisão de nêutrons, que se revelaram em aproximadamente 13 km.

Da mesma forma, enquanto a primeira observação de uma estrela de nêutrons remonta a 1967, medições precisas de massa dessas estrelas só foram possíveis nos últimos 20 anos. A maioria das estrelas com massas conhecidas com precisão cai dentro de uma janela entre 1 e 1,7 massas estelares, mas a década passada testemunhou a detecção de três estrelas atingindo ou possivelmente excedendo ligeiramente o limite de duas massas solares.

Outras observações esperadas

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

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

Desde 2017, várias novas fusões de estrelas de nêutrons foram observadas, e LIGO e Virgo rapidamente se tornaram parte integrante da pesquisa de estrelas de nêutrons. É essa rápida acumulação de novas informações observacionais que desempenha um papel fundamental na melhoria da precisão das novas descobertas do grupo de pesquisa finlandês e na confirmação da existência de matéria de quarks nas 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 esse em nossa compreensão da natureza”, alegra-se Vuorinen.

Referência:

  1. ANNALA, Eemeli et al. “Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars”; Nature Physics, 2020.