Impressão artística das diferentes camadas dentro de uma estrela de nêutrons massiva, com o círculo vermelho representando um núcleo considerável de matéria quark. Crédito: Jyrki Hokkanen, CSC
Uma nova análise teórica coloca a probabilidade de estrelas de nêutrons massivas esconderem núcleos de matéria quark desconfinada entre 80 e 90 por cento. O resultado foi alcançado através de execuções massivas de supercomputadores utilizando inferência estatística Bayesiana.
Os núcleos das estrelas de nêutrons contêm matéria nas densidades mais altas alcançadas no nosso Universo atual, com até duas massas solares de matéria comprimidas dentro de uma esfera de 25 km de diâmetro. Esses objetos astrofísicos podem, de fato, ser considerados núcleos atômicos gigantes, com a gravidade comprimindo seus núcleos a densidades muitas vezes superiores às dos prótons e nêutrons individuais.
Essas densidades tornam as estrelas de nêutrons objetos astrofísicos interessantes do ponto de vista da física de partículas e nuclear. 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 nova fase da matéria, conhecida como matéria quark fria. Neste estado exótico da matéria, prótons e nêutrons individuais não existem mais.
“Os seus quarks e glúons constituintes são, em vez disso, libertados do seu típico confinamento de cor e podem mover-se quase livremente”, explica Aleksi Vuorinen, professor de física teórica de partículas na Universidade de Helsínquia.
Impressão artística das diferentes camadas dentro de uma estrela de nêutrons massiva, com o círculo vermelho representando um núcleo considerável de matéria quark. Crédito: Jyrki Hokkanen, CSC
Uma forte transição de fase ainda pode arruinar o dia
Em um novo artigo publicado recentemente na revista Comunicações da Natureza, uma equipe centrada na Universidade de Helsinque forneceu uma estimativa quantitativa inédita para a probabilidade de núcleos de matéria quark dentro de estrelas massivas de nêutrons. 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 pela equipe colocou a probabilidade na faixa de 80-90 por cento.
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.
A colaboração internacional entre cientistas da Finlândia, Noruega, Alemanha e EUA conseguiu mostrar ainda mais como a existência de núcleos de matéria quark pode um dia ser totalmente confirmada ou descartada. A chave é ser capaz de restringir a força da transição de fase entre a matéria nuclear e a matéria quark, que se espera que seja possível uma vez que um sinal de onda gravitacional da última parte de um binário Estrêla de Neutróns a fusão é registrada um dia.
Supercomputadores massivos são executados usando dados observacionais
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. A componente bayesiana do estudo permitiu aos investigadores 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.
Joonas Nättilä, um dos principais autores do artigo, descreve o trabalho como um esforço interdisciplinar que exigiu conhecimentos de astrofísica, física de partículas e nuclear, bem como ciência da computação. Ele está prestes a começar como Professor Associado na Universidade de Helsinque em maio de 2024.
“É fascinante ver concretamente como cada nova observação de estrela de nêutrons nos permite deduzir as propriedades da matéria das estrelas de nêutrons com precisão crescente.”
Joonas Hirvonen, estudante de doutorado orientado por Nättilä e Vuorinen, por outro lado, enfatiza a importância da computação de alto desempenho:
“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. Estamos extremamente gratos ao centro finlandês de supercomputadores CSC por nos fornecer todos os recursos de que precisávamos!”
Referência: “Matéria fortemente interagente exibe comportamento desconfinado em estrelas massivas de nêutrons” por Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä e Aleksi Vuorinen, 19 de dezembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y
