Um novo tipo de matéria é descoberto dentro de estrelas de nêutrons

Uma equipe de pesquisa internacional liderada por físicos da Universidade de Helsinque (Finlândia) encontrou fortes evidências da presença de um novo tipo de matéria nos núcleos das estrelas de nêutrons, um estado exótico de quarks.

A questão

A matéria “normal” é composta de átomos, cujos núcleos são feitos de prótons e nêutrons e circundados por elétrons negativamente carregados.

No entanto, dentro das estrelas de nêutrons, essa matéria atômica colapsa a um ponto no qual nêutrons e prótons ficam tão esmagados juntos que a estrela inteira pode ser considerada um núcleo imenso.

Os cientistas já haviam teorizado, mas não tinham certeza se essa matéria no interior das estrelas de nêutrons mais massivas se transformava em algum estado mais exótico da matéria, chamado de “matéria de quarks”, durante esse colapso, ou não.

Agora, parecemos ter uma resposta.

Metodologia

Esse “problema” foi proposto há quase 40 anos, e nem mesmo simulações poderosas de larga escapa em supercomputadores conseguiram determinar o destino exato da matéria nuclear dentro de estrelas de nêutrons.

Então, os pesquisadores do novo estudo decidiram testar uma abordagem diferente. Eles combinaram resultados recentes obtidos em estudos teóricos sobre física de partículas e nuclear com medidas astrofísicas tanto das ondas gravitacionais de uma colisão e consequente fusão entre estrelas de nêutrons e da detecção superprecisa de estrelas de nêutrons muito massivas, com massas de cerca de duas vezes a do nosso sol.

A maioria das estrelas de nêutrons com massas conhecidas possui entre 1 e 1,7 massas estelares. Desde a década passada, no entanto, medições avançadas levaram a descoberta de três estrelas com pelo menos duas massas solares ou um pouco mais.

As novas informações sobre os raios e as massas de estrelas de nêutrons já haviam reduzido consideravelmente as incertezas associadas às propriedades termodinâmicas da matéria estelar desses objetos.

Na nova análise, os pesquisadores reuniram essas observações astrofísicas com resultados teóricos avançados, o que lhes permitiu obter uma previsão bastante exata 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 é um resultado bem conhecido da teoria da relatividade geral, que relaciona a equação a uma relação entre os possíveis valores de raios e massas de estrelas de nêutrons.

Resultados

Os cálculos indicam que a matéria dentro dos núcleos das estrelas de nêutrons mais massivas tem uma semelhança maior à matéria de quarks do que à matéria nuclear comum.

Nelas, o diâmetro do núcleo identificado como matéria de quarks pode exceder a metade do diâmetro de toda a estrela de nêutrons.

“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 considerada há 40 anos”, disse Aleksi Vuorinen, professor do Departamento de Física da Universidade de Helsinque.

Então a matéria de quarks realmente existe?

“Ainda existe uma chance pequena, mas não nula, de que todas as estrelas de nêutrons sejam compostas apenas de matéria nuclear. O que conseguimos fazer, no entanto, é quantificar o que esse cenário exigiria. Em suma, o comportamento da matéria nuclear densa precisaria ser verdadeiramente peculiar. Por exemplo, a velocidade do som precisaria atingir quase a da luz”, explicou Vuorinen ao Phys.org.

Próximos passos

Esse estudo representa apenas um primeiro passo de muitos que os pesquisadores ainda precisam percorrer, uma vez que restam muitas incertezas quanto a estrutura exata das estrelas de nêutrons.

Dito isto, desde 2017, várias novas fusões de estrelas de nêutrons foram detectadas graças a projetos como o LIGO e o Virgo, e muitas outras observações ainda são esperadas.

Esse rápido acúmulo de informações observacionais desempenhará um papel fundamental na melhoria da precisão das descobertas realizadas pela equipe finlandesa e na confirmação definitiva da existência de matéria de quarks nas estrelas de nêutrons.

“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”, afirmou Vuorinen.

O estudo

Além de Vuorinen, participaram do estudo também Eemeli Annala, da Universidade de Helsinque, Tyler Gorda, do Departamento de Física da Universidade da Virgínia (EUA), Aleksi Kurkela, do Departamento de Física Teórica do CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, na Suíça) e Joonas Nättilä, do Departamento de Física e Laboratório de Astrofísica da Universidade de Columbia (EUA).

Um artigo sobre as descobertas foi publicado na prestigiada revista científica Nature Physics. fonte:via[Phys]