Novas evidências para núcleos de matéria de quarks em estrelas de nêutrons massivas
Profundamente nos núcleos das estrelas de nêutrons reside matéria comprimida às densidades mais extremas encontradas no universo atual. Esses objetos celestes, com cerca de 25 quilômetros de diâmetro e contendo até duas vezes a massa do nosso Sol, podem ser comparados a núcleos atômicos colossais, com seus núcleos sujeitos a uma compressão impulsionada pela gravidade que supera significativamente a densidade de prótons e nêutrons individuais.
Essas densidades extraordinárias tornam as estrelas de nêutrons um assunto intrigante tanto para a física de partículas quanto para a física nuclear. Uma questão de longa data neste campo gira em torno de saber se a pressão imensa no centro das estrelas de nêutrons pode transformar prótons e nêutrons em uma fase incomum da matéria conhecida como “matéria de quarks frios”, onde prótons e nêutrons individuais perdem sua identidade distinta.
O professor Aleksi Vuorinen, especialista em física de partículas teóricas na Universidade de Helsinque, esclarece esse conceito: na matéria de quarks frios, quarks e glúons constituintes são libertados de sua confinamento de cor habitual, permitindo que se movam com relativa liberdade.
Em uma publicação recente na Nature Communications, uma equipe liderada pela Universidade de Helsinque forneceu, pela primeira vez, uma estimativa quantitativa sobre a probabilidade de núcleos de matéria de quarks em estrelas de nêutrons massivas. Suas descobertas sugerem que, com base nas observações astrofísicas atuais, a matéria de quarks é altamente provável nas estrelas de nêutrons mais massivas, com estimativas variando entre 80% e 90%.
No entanto, permanece uma pequena possibilidade de que todas as estrelas de nêutrons se constituam apenas de matéria nuclear, dependendo da transformação de matéria nuclear para matéria de quarks ser uma súbita transição de fase de primeira ordem semelhante à mudança rápida de água líquida para gelo. Uma mudança tão drástica nas propriedades da matéria da estrela de nêutrons tem o potencial de desestabilizar a estrela, levando-a eventualmente ao colapso em um buraco negro.
Um esforço colaborativo envolvendo cientistas da Finlândia, Noruega, Alemanha e Estados Unidos também explorou como a existência de núcleos de matéria de quarks poderia eventualmente ser confirmada ou descartada de forma conclusiva. A chave está na capacidade de restringir a força da transição de fase entre a matéria nuclear e a matéria de quarks, uma possibilidade que poderia se concretizar quando os sinais de ondas gravitacionais dos momentos finais de uma fusão de estrelas de nêutrons binárias forem registrados.
Para derivar esses novos resultados, os pesquisadores contaram com extensas simulações de supercomputadores utilizando inferência bayesiana, uma técnica estatística que avalia a probabilidade de diferentes parâmetros de modelo ao compará-los diretamente com dados observacionais.
O aspecto bayesiano do estudo permitiu à equipe estabelecer novas restrições sobre as propriedades da matéria da estrela de nêutrons, sugerindo uma tendência em direção ao comportamento conforme nos núcleos das estrelas de nêutrons mais massivas e estáveis.
O Dr. Joonas Nättilä, um dos principais autores, destaca a natureza interdisciplinar desse trabalho, que exigiu conhecimento em áreas que abrangem astrofísica, física de partículas e nuclear, bem como ciência da computação. O Dr. Nättilä está prestes a assumir o cargo de Professor Associado na Universidade de Helsinque em maio de 2024.
Ele observa: “É cativante testemunhar como cada nova observação de estrelas de nêutrons contribui para uma compreensão mais precisa de seu funcionamento interno.”
Joonas Hirvonen, um estudante de doutorado orientado por Nättilä e Vuorinen, destaca a importância da computação de alto desempenho, afirmando: “Tivemos que utilizar milhões de horas de CPU em supercomputadores para poder comparar nossas previsões teóricas com observações e para restringir a probabilidade de núcleos de matéria de quarks. Somos imensamente gratos ao Centro de Supercomputação da Finlândia (CSC) por fornecer generosamente os recursos necessários.”
Este estudo exemplifica a fronteira emocionante da pesquisa em física de partículas e astrofísica, fornecendo insights valiosos sobre as estranhas e fascinantes propriedades das estrelas de nêutrons e da matéria em densidades extremas. Conforme novas observações e avanços tecnológicos continuam a se desenrolar, o mistério da composição das estrelas de nêutrons pode, eventualmente, ser completamente decifrado. [Phys]
