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 empacotam 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 dentro delas é incerta. Agora, um crescente corpo de evidências teóricas e observacionais 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: plasma de quarks-glúons, a matéria primordial do Big Bang.
Plasma de quarks-glúons é a fase de matéria que existiu 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 quarks-glúons cessou de existir como uma fase livre em condições naturais.
Exceto, potencialmente, dentro de estrelas de nêutrons. Cálculos sugerem que núcleos de estrelas de nêutrons podem alcançar densidades altas o suficiente para dissolver os limites entre nucleons individuais, recriando condições onde quarks vagueiam livremente — uma forma fria e densa de matéria de quarks 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.
As Evidências Até Agora
Evidências de matéria de quarks dentro de estrelas de nêutrons vêm de múltiplas direções indiretas, nenhuma individualmente conclusiva. Os constrangimentos mais poderosos vêm de observações de ondas gravitacionais de fusões de estrelas de nêutrons pelo LIGO e Virgo. Quando duas estrelas de nêutrons espiralam juntas e se fundem, as ondas gravitacionais que emitem carregam informações sobre a estrutura interna das estrelas — especificamente como são deformáveis no campo gravitacional uma da outra, uma propriedade chamada deformabilidade de maré. As deformabilidades de maré medidas do evento histórico GW170817 restringiram a equação de estado da estrela de nêutrons de maneiras que alguns modelos teóricos sugerem serem mais naturalmente explicadas pela presença de matéria de quarks nos núcleos estelares.
Observações de raios-X de massas e raios de estrelas de nêutrons fornecem constrangimentos complementares. O instrumento NICER na Estação Espacial Internacional tem medido 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 teóricas de estado e favorecer outras, estreitando a gama de composições internas plausíveis. Os dados atuais do NICER não identificam conclusivamente matéria de quarks, 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. Cromodinâmica quântica — a teoria que governa as interações entre quarks e glúons — pode ser resolvida computacionalmente usando métodos de QCD em rede nas densidades encontradas em núcleos atômicos e as densidades extremas do plasma de quarks-glúons do universo primitivo, mas densidades intermediárias correspondentes aos núcleos de estrelas de nêutrons permanecem em um regime onde os métodos teóricos atuais não são confiáveis. A incerteza não é uma falha da física, mas uma genuína fronteira de cálculo.
Como Cientistas Acreditam Que Podem Comprová-lo
O caminho para confirmar matéria de quarks em estrelas de nêutrons passa por melhorias na sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais, medições mais precisas dos raios de estrelas de nêutrons e avanços teóricos na compreensão da matéria nuclear densa. 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 dramaticamente melhorada, potencialmente medindo o sinal de onda gravitacional pós-fusão que os detectores atuais ainda não conseguem detectar e que carrega informações sobre o que acontece com a matéria de quarks durante o processo violento de colisão e fusão.
O sinal pós-fusão é particularmente informativo porque depende do comportamento da matéria em densidades substancialmente maiores que as das estrelas pré-fusão. Se matéria de quarks está presente e sofre uma transição de fase durante a fusão — mudando de matéria nuclear ordinária para matéria de quarks desconfinada conforme a densidade atinge seu pico — o conteúdo de frequência da onda gravitacional carregaria assinaturas distintivas dessa transição. Previsões teóricas sobre a aparência dessas assinaturas são uma área de pesquisa ativa, e detectores futuros podem ser sensíveis o suficiente para observá-las.
Experimentos de laboratório também contribuem para o quadro. Colisões de íons pesados em instalações como o Large Hadron Collider do CERN e o Relativistic Heavy Ion Collider de Brookhaven criam plasma de quarks-glúons em miniatura por frações de segundo, fornecendo dados experimentais sobre propriedades de matéria de quarks em altas temperaturas que podem restringir extrapolações para o regime de alta densidade e temperatura mais baixa relevante para interiores de estrelas de nêutrons. A ponte teórica entre esses regimes é imperfeita, mas está melhorando conforme a teoria nuclear avança.
O Que Isso Significaria Para a Física
Confirmar matéria de quarks dentro de estrelas de nêutrons seria um resultado histórico para física nuclear e astrofísica simultaneamente. Estabeleceria que uma fase de matéria predita pela cromodinâmica quântica e criada momentaneamente em aceleradores de partículas de laboratório existe como um componente estável de objetos astronômicos macroscópicos — validando a teoria em uma gama extraordinária de condições e conectando a física microscópica de quarks à astrofísica de objetos compactos.
A descoberta também aguçaria a compreensão da equação de estado da estrela de nêutrons — a relação entre pressão e densidade dentro desses objetos — que é um dos problemas centrais em aberto na astrofísica nuclear. Uma melhor equação de estado melhora modelos de colapso de supernova, formação de estrelas de nêutrons, emissão de ondas gravitacionais de fusões e a nucleossíntese do processo r em fusões de estrelas de nêutrons que é responsável pela produção da maior parte do ouro, platina e outros elementos pesados no universo.
Para físicos interessados na força nuclear forte em densidades extremas, estrelas de nêutrons são laboratórios naturais que nenhum experimento terrestre pode replicar. Cada novo constrangimento observacional em sua estrutura interna é uma janela para a física que não pode ser diretamente criada e estudada na Terra, tornando o projeto de caracterizar interiores de estrelas de nêutrons uma das interseções mais produtivas entre astrofísica e física fundamental sendo perseguida atualmente.
Este artigo é baseado em reportagem do Space.com. Leia o artigo original.
