Os núcleos das estrelas de nêutrons contêm matéria nas densidades mais altas do nosso Universo. Esta matéria altamente comprimida pode sofrer uma transição de fase onde a matéria nuclear se funde em matéria quark desconfinada, libertando os seus quarks e gluões constituintes. Mas atualmente não se sabe se a transição ocorre dentro de pelo menos algumas estrelas físicas de nêutrons. Num novo estudo, físicos da Universidade de Helsínquia, da Universidade de Stavanger, do Flatiron Institute e da Universidade de Columbia quantificaram esta probabilidade combinando informações de observações astrofísicas e cálculos teóricos.
Impressão artística de uma estrela de nêutrons. Crédito da imagem: Sci.News.
Estrelas de nêutrons são objetos astrofísicos extremos que contêm a matéria mais densa encontrada no Universo atual.
Eles têm um raio da ordem de 10 km (6 milhas) e uma massa de cerca de 1,4 massa solar.
“Um problema em aberto de longa data diz respeito a se a imensa pressão central das estrelas de nêutrons pode comprimir prótons e nêutrons em uma fase chamada matéria fria de quark. Neste estado exótico, prótons e nêutrons individuais não existem mais”, disse o professor Aleksi Vuorinen, da Universidade de Helsinque.
“Seus quarks e glúons constituintes são, em vez disso, liberados de seu confinamento de cor típico e podem se mover quase livremente.”
No seu novo artigo, o professor Vuorinen e colegas forneceram uma estimativa quantitativa inédita para a probabilidade de núcleos de matéria quark dentro de estrelas massivas de neutrões.
Eles mostraram que, com base nas observações astrofísicas atuais, a matéria quark é quase inevitável nas estrelas de nêutrons mais massivas: uma estimativa quantitativa extraída colocou a probabilidade na faixa de 80-90%.
A pequena probabilidade restante de todas as estrelas de nêutrons serem compostas apenas por matéria nuclear exige que a mudança da matéria nuclear para a matéria quark seja uma forte transição de fase de primeira ordem, algo semelhante à da água líquida que se transforma em gelo.
Este tipo de mudança rápida nas propriedades da matéria da estrela de nêutrons tem o potencial de desestabilizar a estrela de tal forma que a formação de até mesmo um minúsculo núcleo de matéria quark resultaria no colapso da estrela em um buraco negro.
Uma impressão artística das diferentes camadas dentro de uma estrela de nêutrons massiva, com o círculo vermelho representando um núcleo considerável de matéria quark. Crédito da imagem: Jyrki Hokkanen, CSC.
“Um ingrediente chave na obtenção dos novos resultados foi um conjunto de cálculos massivos de supercomputadores utilizando a inferência Bayesiana, um ramo da dedução estatística onde se inferem as probabilidades de diferentes parâmetros do modelo através da comparação direta com dados observacionais”, explicaram os autores.
“A componente bayesiana permitiu-nos derivar novos limites para as propriedades da matéria das estrelas de neutrões, demonstrando que se aproximam do chamado comportamento conforme perto dos núcleos das estrelas de neutrões estáveis mais massivas.”
“É fascinante ver concretamente como cada nova observação de estrela de nêutrons nos permite deduzir as propriedades da matéria da estrela de nêutrons com precisão crescente”, acrescentou o Dr. Joonas Nättilä, da Universidade de Helsinque.
“Tivemos que usar milhões de horas de CPU de supercomputador para podermos comparar nossas previsões teóricas com as observações e para restringir a probabilidade de núcleos de matéria quark”, disse Joonas Hirvonen, estudante de doutorado no Flatiron Institute e na Columbia University.
“Estamos extremamente gratos ao centro de supercomputadores finlandês CSC por nos fornecer todos os recursos de que precisávamos.”
O papel foi publicado na revista Comunicações da Natureza.
_____
E. Annala e outros. 2023. Matéria com forte interação exibe comportamento desconfigurado em estrelas massivas de nêutrons. Nat Comum 14, 8451; doi:10.1038/s41467-023-44051-y
