Uma nova análise teórica estima a probabilidade de estrelas de nêutrons massivas esconderem núcleos de matéria quark desconfinada entre 80% e 90%. O resultado foi obtido através de extensos cálculos em supercomputadores, utilizando a inferência estatística bayesiana.
Os núcleos das estrelas de nêutrons contêm matéria nas densidades mais altas encontradas no Universo atual, com até duas massas solares de matéria comprimidas em uma esfera de 25 km de diâmetro. Esses objetos astrofísicos podem ser considerados como núcleos atômicos gigantes, com a gravidade comprimindo seus núcleos a densidades muito superiores às de prótons e nêutrons individuais.
Essas densidades tornam as estrelas de nêutrons objetos de grande interesse na física de partículas e nuclear. Uma questão em aberto há muito tempo é 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. Nesse estado exótico, prótons e nêutrons individuais deixam de existir.
“Os quarks e glúons constituintes são liberados de seu confinamento de cor habitual e podem se mover quase livremente”, explica Aleksi Vuorinen, professor de física teórica de partículas da Universidade de Helsinque.
Estrelas de nêutrons: uma forte transição de fase pode complicar as coisas
Em um artigo recentemente publicado na Nature Communications, uma equipe da Universidade de Helsinque forneceu a primeira estimativa quantitativa da probabilidade de existência de núcleos de matéria quark em estrelas de nêutrons massivas. Eles mostraram que, com base nas observações astrofísicas atuais, a matéria quark é quase inevitável nas estrelas de nêutrons mais massivas, estimando a probabilidade entre 80-90%.
A pequena probabilidade restante de que todas as estrelas de nêutrons sejam compostas apenas de matéria nuclear depende de uma forte transição de fase de primeira ordem, semelhante à transformação da água líquida em gelo. Essa mudança abrupta nas propriedades da matéria das estrelas de nêutrons pode desestabilizá-las, fazendo com que até mesmo um pequeno núcleo de matéria quark resulte no colapso da estrela em um buraco negro.
A colaboração internacional entre cientistas da Finlândia, Noruega, Alemanha e EUA mostrou como a existência de núcleos de matéria quark pode ser confirmada ou descartada no futuro. A chave é restringir a força da transição de fase entre matéria nuclear e quark, o que se espera ser possível quando um sinal de onda gravitacional da última parte de uma fusão binária de estrelas de nêutrons for registrado.
Cálculos avançados em supercomputadores usando dados observacionais
Um elemento fundamental para obter os novos resultados foi um conjunto de cálculos avançados em supercomputadores, utilizando a inferência bayesiana – um ramo da estatística que deduz as probabilidades de diferentes parâmetros de um modelo por meio da comparação direta com dados observacionais. O aspecto bayesiano do estudo permitiu aos pesquisadores estabelecer novos limites para as propriedades da matéria das estrelas de nêutrons, aproximando-os do comportamento conformado nas proximidades dos núcleos das estrelas de nêutrons estáveis mais massivas.
O Dr. Joonas Nättilä, um dos principais autores do artigo, descreve o trabalho como um esforço interdisciplinar que exigiu expertise em astrofísica, física de partículas e nuclear, assim como em ciência da computação. Ele iniciará sua posição como professor associado na Universidade de Helsinque em maio de 2024.
“É fascinante ver como cada nova observação de estrela de nêutrons nos permite deduzir as propriedades da matéria das estrelas de nêutrons com precisão crescente”, diz ele.
Joonas Hirvonen, doutorando sob orientação de Nättilä e Vuorinen, destaca a importância da computação de alto desempenho: “Tivemos que utilizar milhões de horas de processamento em supercomputadores para comparar nossas previsões teóricas com as observações e restringir a probabilidade de núcleos de matéria quark. Somos extremamente gratos ao centro finlandês de supercomputadores CSC (sigla para “Centro de Tecnologia da Informação para a Ciência”) por nos fornecer todos os recursos necessários!”
Essa pesquisa representa um avanço significativo na compreensão das estrelas de nêutrons e na investigação da existência de matéria quark em seus núcleos, ampliando os horizontes do conhecimento em astrofísica e física de partículas.
A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.
O artigo foi publicado originalmente por Aleksi Vuorinen na University of Helsinki.
