Uma Relíquia da Criação no Coração de Estrelas Colapsadas
Estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais extremos do universo conhecido. Nascidas do colapso violento de núcleos estelares massivos durante explosões de supernova, elas comprimem uma massa maior que o Sol em uma esfera aproximadamente do tamanho de uma cidade, produzindo densidades tão extremas que a própria natureza da matéria em seu interior é incerta. Agora, um crescente corpo de evidência teórica e observacional sugere que os núcleos de estrelas de nêutrons podem conter um estado de matéria não visto livremente desde que o universo tinha um microssegundo de idade: o plasma de quark-gluón, a matéria primordial do Big Bang.
O plasma de quark-gluón é a fase de matéria que existia quando o universo era mais jovem que um milionésimo de segundo e as temperaturas excediam trilhões de graus. Sob essas condições, quarks — os constituintes fundamentais de prótons e nêutrons — não estão confinados dentro de partículas compostas, mas existem livremente em uma sopa quente e densa junto com glúons, as partículas que medeiam a força nuclear forte. Conforme o universo esfriou, quarks ficaram permanentemente confinados dentro de prótons, nêutrons e outros hádrons, e o plasma de quark-gluón deixou de existir como uma fase livre em condições naturais.
Exceto, potencialmente, dentro de estrelas de nêutrons. Cálculos sugerem que os núcleos de estrelas de nêutrons podem atingir densidades altas o suficiente para dissolver os limites entre nucleons individuais, recriando condições onde quarks vagueiam livremente — uma forma fria e densa de matéria quárquica distinta do plasma quente do universo primitivo, mas governada pela mesma física fundamental. Confirmar isso representaria uma das descobertas mais significativas em astrofísica e física nuclear da era moderna.
A Evidência Até Agora
Evidências de matéria quárquica dentro de estrelas de nêutrons vêm de múltiplas direções indiretas, nenhuma conclusiva por si só. Os constrasts mais poderosos vêm de observações de ondas gravitacionais de fusões de estrelas de nêutrons pelo LIGO e Virgo. Quando duas estrelas de nêutrons se espiralam juntas e se fundem, as ondas gravitacionais que emitem carregam informações sobre a estrutura interna das estrelas — especificamente quão deformáveis são no campo gravitacional mútuo, uma propriedade chamada deformabilidade de maré. As deformabilidades de maré medidas do evento marcante GW170817 restringiram a equação de estado da estrela de nêutrons de formas que alguns modelos teóricos sugerem serem mais naturalmente explicadas pela presença de matéria quárquica nos núcleos estelares.
Observações em raios X de massas e raios de estrelas de nêutrons fornecem constrasts complementares. O instrumento NICER na Estação Espacial Internacional mediu os tamanhos de várias estrelas de nêutrons com precisão suficiente para restringir sua estrutura interna. Medições combinadas de massa e raio podem descartar algumas equações de estado teóricas e favorecer outras, estreitando o leque de composições internas plausíveis. Os dados atuais do NICER não identificam conclusivamente matéria quárquica, mas são consistentes com sua presença nas estrelas de nêutrons mais densas conhecidas.
O desafio é que o interior de uma estrela de nêutrons é inacessível à observação direta, e cálculos teóricos do comportamento da matéria em densidades de estrelas de nêutrons são extraordinariamente difíceis. A cromodinâmica quântica — a teoria que governa as interações de quarks e glúons — pode ser resolvida computacionalmente usando métodos de QCD em rede nas densidades encontradas em núcleos atômicos e nas densidades extremas do plasma de quark-gluón do universo primitivo, mas densidades intermediárias correspondentes aos núcleos de estrelas de nêutrons permanecem em um regime onde os métodos teóricos atuais são pouco confiáveis. A incerteza não é uma falha da física, mas uma verdadeira fronteira de cálculo.
