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.
Como Cientistas Acreditam Que Podem Comprovar Isso
O caminho para confirmar matéria quárquica em estrelas de nêutrons passa por melhorias na sensibilidade do detector de ondas gravitacionais, medições mais precisas do raio da estrela de nêutrons e avanços teóricos na compreensão de 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 observando o sinal de onda gravitacional pós-fusão que os detectores atuais não conseguem detectar e que carrega informações sobre o que acontece com matéria quárquica durante o violento processo de colisão e fusão.
O sinal pós-fusão é particularmente informativo porque depende do comportamento da matéria em densidades substancialmente superiores às das estrelas pré-fusão. Se matéria quárquica está presente e sofre uma transição de fase durante a fusão — mudando de matéria nuclear ordinária para matéria quárquica desconfinada conforme a densidade atinge o pico — o conteúdo de frequência da onda gravitacional carregaria assinaturas distintivas dessa transição. Predições teóricas de como essas assinaturas se pareceriam são uma área de pesquisa ativa, e futuros detectores podem ser sensíveis o suficiente para observá-las.
Experimentos de laboratório também contribuem para o panorama. Colisões de íons pesados em instalações como o Grande Colisor de Hádrons do CERN e o Colisor de Íons Pesados Relativísticos de Brookhaven criam plasma de quark-gluón em miniatura por frações de segundo, fornecendo dados experimentais sobre propriedades de matéria quárquica em altas temperaturas que podem restringir extrapolações para o regime de alta densidade, temperatura mais baixa relevante para interiores de estrelas de nêutrons. A ponte teórica entre esses regimes é imperfeita, mas melhora conforme a teoria nuclear avança.
O Que Isso Significaria para a Física
Confirmar matéria quárquica dentro de estrelas de nêutrons seria um resultado histórico tanto para física nuclear quanto para astrofísica simultaneamente. Estabeleceria que uma fase de matéria prevista pela cromodinâmica quântica e criada momentaneamente em aceleradores de partículas de laboratório existe como componente estável de objetos astronômicos macroscópicos — validando a teoria em um intervalo extraordinário de condições e conectando a física microscópica de quarks à astrofísica de objetos compactos.
A descoberta também agudizaria a compreensão da equação de estado da estrela de nêutrons — a relação entre pressão e densidade dentro desses objetos — que é um dos principais problemas abertos em 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 nucleossíntese do processo r em fusões de estrelas de nêutrons que é responsável pela produção da maioria 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 consegue replicar. Cada novo constrangimento observacional sobre sua estrutura interna é uma janela para física que não pode ser diretamente criada e estudada na Terra, tornando o projeto de caracterizar interiores de estrelas de nêutrons uma das mais produtivas intersecções de astrofísica e física fundamental sendo perseguidas atualmente.
Este artigo é baseado em reportagem da Space.com. Leia o artigo original.
Originally published on space.com