As estrelas de nêutrons têm esse nome porque nos modelos mais simples elas são feitas de nêutrons. Eles se formam quando o núcleo de uma grande estrela entra em colapso e o peso da gravidade causa o colapso dos átomos. Os elétrons são comprimidos junto com os prótons, de modo que o núcleo se torna um denso mar de nêutrons. Mas agora sabemos que as estrelas de nêutrons não são apenas nêutrons ligados gravitacionalmente. Por um lado, os nêutrons são compostos de quarks, que têm suas próprias interações dentro e entre os nêutrons. Estas interações são extremamente complexas, por isso os detalhes do interior de uma estrela de neutrões são algo que não compreendemos totalmente.
As propriedades gerais da matéria de nêutrons são melhor descritas pela equação de estado de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Com base nisso, o limite superior de massa para uma estrela de nêutrons deveria ser em torno de 2,2 a 2,6 massas solares, o que parece concordar com a observação. A equação TOV também assume que os nêutrons dentro da estrela de nêutrons permanecem nêutrons. Nos núcleos atômicos, não pode haver um mar de quarks livres devido à natureza do força nuclear forteentão esta parece uma suposição razoável. Mas alguns físicos e astrônomos argumentaram que dentro do coração denso de uma estrela de nêutrons, os quarks poderiam se libertar e criar um estrela de quark. Alguns até sugeriram que os quarks dentro de uma estrela de nêutrons poderiam interagir tão fortemente que apareceriam quarks estranhos, tornando-os estrelas de quarks estranhas.
Uma maneira de explorar essas ideias é observar os pulsares. Como os pulsares são estrelas de nêutrons em rotação, onde seu pólo magnético gira em nossa direção, podemos medir a taxa de rotação cronometrando os pulsos de rádio de um pulsar. Portanto, se um pulsar pisca a cada três segundos, sabemos quanto tempo leva para a estrela de nêutrons girar uma vez. Foi através dos pulsares que aprendemos que as estrelas de nêutrons são, bem, nêutron estrelas, porque a taxa de rotação de um objeto indica a densidade mínima que o objeto deve ter.
Você pode pensar nisso como um carrossel de playground. Se você deixar algumas crianças subirem e girar o carrossel bem rápido, poderá observar as crianças voando uma por uma enquanto perdem o controle. Esta é uma das razões pelas quais os carrosséis nos parques infantis são tão raros hoje em dia. Como as estrelas são mantidas unidas pela gravidade, existe um limite superior para a velocidade de rotação de uma estrela. Se fosse mais rápido, a gravidade perderia o controle e a estrela se despedaçaria. Portanto, quando medimos a rotação de um pulsar, sabemos que ele deve estar abaixo do limite superior, conhecido como frequência Kepler. Como a gravidade superficial de uma estrela depende da sua densidade, a frequência de rotação nos indica a densidade mínima da estrela. Quando os astrônomos descobriram pela primeira vez pulsares girando várias vezes por segundo, eles sabiam que a densidade do pulsar era maior que a de uma anã branca, então tinha que ser uma estrela de nêutrons.
Existem alguns pulsares que possuem frequências de rotação muito altas. Os pulsares mais rápidos observados, conhecidos como pulsares de milissegundos, podem ter frequências acima de 700 Hz. É bastante surpreendente quando você pensa sobre isso. Um objeto com quase o dobro da massa do Sol, mas com apenas alguns quilômetros de diâmetro e fazendo centenas de rotações por segundo. Os pulsares de milissegundos giram tão rapidamente que nem são esféricos. Eles se projetam em torno de seus equadores para se tornarem esferóides achatados. Isto significa que a densidade nas suas regiões polares deve ser muito maior do que perto do equador. Isto levanta a questão de saber se os nêutrons nas regiões polares podem sofrer uma transição de fase em matéria quark.
Para explorar esta ideia, uma equipa analisou vários modelos de estrelas de neutrões. Eles modelaram a equação de estado para estrelas de nêutrons tradicionais e as compararam com as chamadas estrelas híbridas, onde o interior é uma mistura de nêutrons e matéria quark. A partir disso, eles calcularam a frequência Kepler em relação à massa total da estrela. Eles descobriram que, embora todos os pulsares de milissegundos observados atualmente possam ser descritos pelo modelo tradicional, o modelo híbrido é mais adequado para os pulsares mais rápidos. Eles também calcularam que as estrelas híbridas empurrariam o limite superior para mais perto de 1.000 rotações por segundo. Portanto, se encontrarmos pulsares na faixa de 800 Hz ou superior, sabemos que eles provavelmente contêm matéria quark em seus núcleos.
Outra forma de testar o modelo híbrido de estrela de nêutrons seria encontrar mais pulsares de milissegundos com uma ampla gama de massas. Isto permitir-nos-ia observar como a frequência de rotação varia com a massa no limite superior para ver se as frequências Kepler concordam mais fortemente com um modelo híbrido ou tradicional.
Referência: Gärtlein, Christoph, et al. “Pulsares de milissegundos de rotação mais rápida: indicadores de matéria quark em estrelas de nêutrons?” Pré-impressão arXiv arXiv:2412.07758 (2024).
