É muito provável que exista matéria quark desconfinada ultradensa nos núcleos das estrelas de nêutrons mais massivas, de acordo com um estudo realizado por uma equipe internacional de físicos. A equipe liderada por Aleksi Vuorinen na Universidade de Helsinque aplicou a inferência bayesiana às observações de estrelas de nêutrons e concluiu que há 80-90% de que o estado exótico da matéria existe nos objetos mais pesados.
A temperaturas e pressões extremas, a teoria quântica de campos prevê que os quarks e os gluões já não se ligam fortemente uns aos outros – como acontece nos protões, neutrões e outros hádrões. Em vez disso, eles são livres para existir individualmente em um plasma exótico de quark-glúon chamado matéria quark desconfinada.
Acredita-se que este estado da matéria dominou o universo logo nos primeiros momentos após o Big Bang. Também foi criado muito brevemente em instalações como o Large Hadron Collider, esmagando núcleos pesados.
Objetos densos e compactos
“Embora o estudo experimental de matéria nuclear e quark de alta densidade com colisores de partículas continue extremamente desafiador, há muito se sabe que a matéria quark pode estar presente na natureza nos núcleos de estrelas de nêutrons – os objetos astrofísicos mais densos e compactos que existem, ”Vuorinen explica.
Estrelas de nêutrons são núcleos colapsados de estrelas que acumulam mais matéria do que o equivalente a um Sol em objetos com apenas 10 a 20 km de raio. Espera-se que a densidade de uma estrela de nêutrons aumente da crosta ao núcleo. Como resultado, espera-se que elétrons e prótons no interior de tal estrela sejam esmagados para criar matéria composta principalmente de nêutrons.
Além disso, alguns físicos acreditam que a temperatura e a pressão no núcleo de uma estrela de neutrões poderiam ser suficientemente elevadas para permitir uma transição de fase da matéria hadrónica para a matéria quark desconfinada. Para procurar evidências de tal transição de fase, a equipe de Vuorinen usou a “inferência Bayesiana”, que é um método de dedução estatística que infere as probabilidades de diferentes parâmetros do modelo, fazendo comparações diretas com dados observacionais.
Equação de estado
Neste caso, as observações são as “equações de estado” das estrelas de nêutrons. A equação de estado relaciona a pressão em uma estrela de nêutrons com a densidade – e pode ser inferida pela observação de propriedades de uma estrela de nêutrons, como sua massa e raio.
“Combinamos essa abordagem com uma estrutura na qual fomos pioneiros anteriormente no estudo da matéria de estrelas de nêutrons, onde a equação de estado da matéria quark densa é interpolada entre regimes de baixa e alta densidade conhecidos com precisão”, explica Vuorinen. Uma vez que se espera que a equação de estado da matéria quark desconfinada seja fundamentalmente diferente daquela da matéria hadrónica, esta abordagem deverá identificar a presença de matéria quark desconfinada nos núcleos das estrelas de neutrões observadas.
Para o seu estudo, Vuorinen e colegas usaram cálculos de equações de estado a partir de 12 observações de estrelas de nêutrons.
“Estudos semelhantes foram realizados antes, mas fomos capazes de levar em conta um número sem precedentes de resultados observacionais em nosso estudo e deduzir a fase de matéria fortemente interagente a partir dos resultados”, descreve Vuorinen. Usando a sua estrutura recentemente desenvolvida, a equipa utilizou um supercomputador para calcular a probabilidade de a matéria quark desconfinada estar presente nos núcleos das estrelas de neutrões mais pesadas que examinaram.
Forte transição de fase de primeira ordem
“Os resultados ficaram em torno de 80-90%, o que é alto, mas de forma alguma constitui uma descoberta”, continua Vuorinen. “Os restantes 10-20% de probabilidade correspondem a um cenário muito interessante por si só: fomos capazes de mostrar que, se todas as estrelas de nêutrons existentes fossem compostas apenas de matéria nuclear, é necessário que haja uma forte transição de fase de primeira ordem separando as estrelas nucleares. e fases da matéria quark.”
Estrelas de nêutrons podem conter quarks livres
De uma perspectiva astrofísica, a possibilidade de matéria quark desconfinada existir em núcleos de estrelas de nêutrons levanta uma série de novas questões intrigantes, explica o membro da equipe Joonas Nättilä no Flatiron Institute e na Columbia University na cidade de Nova York.
“Agora que sabemos que pode haver um novo estado de material escondido dentro de estrelas de nêutrons, podemos começar a especular como isso afeta vários fenômenos astrofísicos”.
Ele diz que a pesquisa levanta algumas questões muito interessantes. “Podemos libertar temporariamente a matéria quark numa colisão de duas estrelas de neutrões? Poderemos, em algum momento, esperar observar o colapso de uma estrela de nêutrons em um buraco negro se a matéria sofrer uma forte transição de fase? A interface entre quark e nêutrons altera a estrutura interna da estrela?”
Em suas pesquisas futuras, a equipe terá como objetivo aprofundar essas questões fascinantes.
O estudo é descrito em Natureza das Comunicações.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/evidence-grows-for-deconfined-quark-matter-in-neutron-star-cores/
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