A Matéria Mais Extrema do Universo
Nos primeiros microssegundos após o Big Bang, o universo era tão quente e denso que quarks e glúons — os constituintes fundamentais de prótons e nêutrons — não podiam se ligar em partículas compostas. Em vez disso, existiam como plasma em fluxo livre, um estado da matéria tão exótico que foi brevemente recriado na Terra apenas em colisões de íons pesados em instalações como o Grande Colisor de Hádrons do CERN e o Relativistic Heavy Ion Collider de Brookhaven, onde núcleos de ouro ou chumbo são esmagados juntos a quase a velocidade da luz para recrear momentaneamente as condições do universo primordial.
Conforme o universo esfriou, esse plasma quark-gluon passou por uma transição de fase, e os quarks ficaram permanentemente confinados dentro de prótons e nêutrons. Não existiu livremente no universo desde então. Ou assim os físicos pensavam. Novos trabalhos teóricos e evidências observacionais estão convergindo para uma possibilidade notável: plasma quark-gluon, ou uma fase de matéria de quark intimamente relacionada, pode existir hoje nos núcleos de estrelas de nêutrons, onde as densidades alcançadas pela compressão gravitacional rivalizam ou excedem aquelas em que o confinamento de quarks se quebra.
Estrelas de Nêutrons como Laboratórios Naturais de Física
Estrelas de nêutrons são os remanescentes de explosões estelares massivas — objetos tipicamente com massa entre 1,4 e 2,3 vezes a massa do Sol comprimida em uma esfera de aproximadamente 20 quilômetros de diâmetro. As densidades em seus núcleos são extraordinárias, alcançando várias vezes a densidade dos núcleos atômicos. Sob estas condições, o comportamento da matéria nuclear densa é governado pela cromodinâmica quântica em um regime onde os cálculos são extremamente difíceis e nosso conhecimento experimental é limitado.
Nas mais altas densidades, os modelos teóricos divergem dramaticamente. Alguns predizem que a matéria nuclear permanece como matéria ordinária de nêutrons e prótons. Outros predizem uma transição para matéria de quark, onde quarks individuais se deconfinam de seus hospedeiros de núcleons e fluem relativamente livremente pelo interior da estrela — um análogo frio e denso do plasma quark-gluon que existia no jovem universo quente.
O Caminho Observacional para a Prova
A chave é a equação de estado: a relação matemática entre pressão e densidade dentro da estrela que determina sua massa, raio e deformabilidade das marés. Diferentes modelos de matéria de estrela de nêutrons predizem diferentes equações de estado e, portanto, diferentes propriedades estelares observáveis.
As observações de ondas gravitacionais de fusões de estrelas de nêutrons, começando com o evento marcante GW170817 em 2017, já limitaram significativamente a equação de estado. A medição da deformabilidade das marés desse evento — quanto cada estrela de nêutrons se deforma no campo gravitacional da outra antes da colisão — descarta as equações de estado mais rígidas e mais macias, reduzindo o intervalo de estruturas internas permitidas. Futuras observações de ondas gravitacionais com detectores melhorados, combinadas com medições do raio de estrelas de nêutrons do telescópio de raios X NICER, poderiam reduzir ainda mais o intervalo permitido — potencialmente ao ponto em que a presença ou ausência de um núcleo de matéria de quark se torna discernível.
Por que Isso Importa
A questão de saber se a matéria de quark existe em estrelas de nêutrons não é meramente acadêmica. Se núcleos de matéria de quark forem confirmados, representaria uma conexão profunda entre a física do universo primordial e a física dos objetos mais densos do universo atual. O Big Bang e o interior de cada remanescente de estrela massiva compartilhariam uma forma fundamental de matéria — uma continuidade que testemunha a unidade profunda da lei física sob condições extremas.
Na prática, a matéria de quark em estrelas de nêutrons afetaria como essas estrelas se comportam durante fusões, quão rapidamente elas esfriam após a formação, e o que acontece durante os segundos finais violentos antes de duas estrelas de nêutrons colidirem e potencialmente formarem um buraco negro. Compreender esses detalhes é importante para interpretar os sinais de ondas gravitacionais e eletromagnéticos de fusões de estrelas de nêutrons — sinais que fornecem nossas melhores medições atuais da constante de Hubble e que contêm informações sobre a origem astrofísica de elementos pesados, incluindo ouro e platina.
O Caminho Adiante
A próxima geração de detectores de ondas gravitacionais — Einstein Telescope na Europa e Cosmic Explorer nos Estados Unidos — observará fusões de estrelas de nêutrons com sensibilidade e cadência várias ordens de magnitude além dos instrumentos atuais. Combinadas com observações contínuas de NICER e telescópios de raios X de próxima geração, elas gerarão o conjunto de dados necessário para confirmar ou descartar definitivamente a matéria de quark nos interiores de estrelas de nêutrons. Dentro da próxima década, uma das perguntas mais antigas da física — o que finalmente acontece com a matéria sob a compressão mais extrema — pode finalmente ter uma resposta observacional.
Este artigo é baseado em relatórios de Space.com. Leia o artigo original.
