Estado da matéria bizarro descoberto no interior de estrelas de nêutrons

por Lucas
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Átomos consistem em três componentes principais: prótons, nêutrons e elétrons. Elétrons são partículas fundamentais, enquanto prótons e nêutrons são partículas compostas. Prótons são compostos por dois quarks para cima e um quark para baixo, enquanto nêutrons consistem em dois quarks para baixo e um quark para cima.

A força forte, uma força fundamental da natureza, garante que os quarks estejam perpetuamente ligados, tornando-os inseparáveis no vácuo do espaço vazio. Essa ligação é diferente da natureza dos elétrons, que podem existir como partículas livres. Pesquisas recentes publicadas na Nature Communications fizeram um avanço na compreensão do comportamento desses quarks em condições extremas, especificamente dentro de estrelas de nêutrons.

Estrelas de nêutrons, que são remanescentes de grandes estrelas, desempenham um papel importante na prevenção do colapso do núcleo estelar em um buraco negro. Quando um núcleo denso esgota todo seu combustível nuclear, a gravidade se torna a força dominante. Neste ponto, a pressão quântica dos nêutrons é a única força contrária impedindo o colapso adicional. Essa situação leva a um ambiente complexo dentro das estrelas de nêutrons.

As diferentes camadas de matéria em uma estrela de nêutrons. (Jyrki Hokkanen, CSC - IT Center for Science Ltd, Finlândia)

As diferentes camadas de matéria em uma estrela de nêutrons. (Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science Ltd, Finlândia)

Tradicionalmente, acredita-se que as estrelas de nêutrons têm núcleos densamente compactados com nêutrons à beira do colapso. Esses nêutrons, apesar de serem submetidos a imensa energia e pressão, permanecem intactos como nêutrons. Dentro desses nêutrons, os quarks são tão firmemente ligados que os próprios nêutrons não se desfazem. No entanto, algumas teorias propõem que em pressões gravitacionais extremas, como as encontradas em estrelas de nêutrons, os nêutrons podem se afrouxar, permitindo que seus quarks constituintes se fundam em uma sopa de quarks. Isso sugere a possibilidade de estrelas de nêutrons terem um núcleo denso de quarks.

O desafio em estudar estrelas de nêutrons e seus potenciais núcleos de quarks surge da incapacidade de conduzir experimentos diretos em estrelas de nêutrons ou recriar condições semelhantes na Terra. No entanto, cientistas desenvolveram um entendimento do comportamento da matéria nuclear densa através da equação de estado. Uma equação de estado é um modelo matemático que calcula as propriedades de massa de um material. Para estrelas de nêutrons, isso é encapsulado na equação de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). A complexidade da equação TOV significa que usá-la para determinar a existência de um núcleo de quarks em estrelas de nêutrons gera resultados inconclusivos.

A análise mostra que estrelas de nêutrons massivas provavelmente têm núcleos de quarks. (Annala, et al., Nature Communications, 2023)

A análise mostra que estrelas de nêutrons massivas provavelmente têm núcleos de quarks. (Annala, et al., Nature Communications, 2023)

No novo estudo, os pesquisadores empregaram um método diferente. Em vez de depender apenas dos cálculos da equação de estado, eles usaram dados observacionais sobre a massa e o tamanho das estrelas de nêutrons e aplicaram estatísticas Bayesianas. Estatísticas Bayesianas são um método que analisa padrões em dados observacionais para extrapolar cenários prováveis. A hipótese era de que estrelas de nêutrons com núcleos de quarks seriam ligeiramente mais densas do que aquelas sem.

O estudo revelou que estrelas de nêutrons massivas, aquelas com massas excedendo duas Sóis, têm uma probabilidade de 80 – 90% de possuir núcleos de quarks. Essa descoberta muda o foco da pesquisa da existência de estrelas de quarks para entender a transição entre estrelas de nêutrons regulares e aquelas com núcleos de quarks.

Uma limitação deste estudo é o conjunto de dados relativamente pequeno usado. Atualmente, a massa e o raio da maioria das estrelas de nêutrons são desconhecidos. No entanto, à medida que mais dados se tornam disponíveis ao longo do tempo, espera-se que a fase crítica de transição entre a matéria de quarks e a matéria de nêutrons densa possa ser determinada com mais precisão.

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