Núcleo das estrelas de nêutrons pode conter forma exótica de matéria

Com informações da Universidade de Helsinque - 10/01/2024

Impressão artística das diferentes camadas dentro de uma estrela de nêutrons, com o círculo vermelho representando um núcleo considerável de matéria quark.
[Imagem: Jyrki Hokkanen/CSC]

Núcleo atômico gigantesco

Pesando quase tanto quanto o Sol, as estrelas de nêutrons medem apenas cerca de 10-20 km de diâmetro, o que as torna alguns dos objetos mais densos do Universo, provavelmente só perdendo em densidade para os buracos negros.

Sendo esferas perfeitas, lisas como nenhum outro corpo celeste conhecido, essas estrelas são na verdade restos dos núcleos muito densos de estrelas massivas que explodiram sob a forma de supernovas no final das suas vidas.

Esses objetos astrofísicos podem, de fato, ser considerados núcleos atômicos gigantes, com a força da gravidade comprimindo os núcleos da estrela a densidades muitas vezes superiores às dos prótons e nêutrons considerados individualmente.

Essas densidades tornam as estrelas de nêutrons interessantes do ponto de vista da física de partículas e nuclear, com os físicos teóricos apontando a possibilidade de que em seus núcleos possam existir formas exóticas de matéria. Um problema em aberto nessa questão diz respeito a se a imensa pressão central das estrelas de nêutrons pode ser suficiente para comprimir prótons e nêutrons em uma nova fase da matéria conhecida como matéria quark fria, um estado exótico da matéria no qual prótons e nêutrons não existem mais individualmente.

"Os seus quarks e glúons constituintes são, em vez disso, liberados do seu típico confinamento de cor e podem mover-se quase livremente," explica o professor Aleksi Vuorinen, da Universidade de Helsinque, na Finlândia.

Agora, a equipe de Vuorinen obteve a primeira estimativa quantitativa da probabilidade da existência de núcleos de matéria quark dentro de estrelas massivas de nêutrons. E a teoria afirma que isso é possível.

Os elementos químicos mais pesados formam-se nas estrelas de nêutrons.
[Imagem: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser]

Matéria quark

Construindo seus modelos computadorizados com base nas observações astrofísicas atuais, a equipe conseguiu demonstrar que a matéria quark é quase inevitável nas estrelas de nêutrons mais massivas, com a probabilidade de sua existência ficando na faixa de 80-90 por cento.

A pequena probabilidade restante - de que todas as estrelas de nêutrons sejam compostas apenas por matéria nuclear comum - 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.

Contudo, uma mudança assim 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.

Os pesquisadores conseguiram demonstrar ainda como a existência de núcleos de matéria quark pode um dia ser totalmente confirmada ou descartada experimentalmente: A chave está em sermos capaz de restringir a força da transição de fase entre a matéria nuclear e a matéria quark, o que se espera que seja possível assim que um dia for registrado um sinal de onda gravitacional da última parte de uma fusão binária de estrela de nêutrons.

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