Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

Nas profundezas do coração do universo, onde a gravidade esmaga a matéria a densidades impossíveis de recriar na Terra, encontram-se os objetos mais extremos conhecidos pela ciência: estrelas compactas. Estes são os remanescentes de estrelas massivas que colapsaram sob seu próprio peso, compactando mais massa do que o nosso Sol em uma esfera de apenas algumas dezenas de quilômetros de largura. Por décadas, os astrônomos debateram do que esses objetos são feitos. A visão padrão sustenta que são estrelas de nêutrons, aglomerados cósmicos onde prótons e elétrons foram espremidos para formar nêutrons, criando um fluido tão denso que uma única colher de chá pesaria um bilhão de toneladas. No entanto, uma ideia concorrente sugere que, sob tal pressão extrema, até mesmo os nêutrons podem se despedaçar em seus blocos fundamentais — quarks — criando uma estrela feita inteiramente de uma sopa estranha e de fluxo livre de quarks. Esta questão de se essas estrelas são feitas de nêutrons ou quarks não é apenas uma questão de classificação; toca nas próprias leis da física que governam como a matéria se comporta em seu estado mais extremo.

Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade Jiao Tong de Xangai traz uma nova perspectiva para este enigma antigo ao tratar o universo como um gigantesco laboratório. Em vez de assumir que todas essas estrelas colapsadas são iguais, a equipe utilizou um poderoso método estatístico para analisar dados de múltiplas fontes, incluindo ondas gravitacionais de estrelas colidindo e medições precisas de pulsares de telescópios de raios X da NASA. Eles fizeram uma pergunta simples, mas profunda: se olharmos para toda a família de estrelas compactas observadas, elas pertencem todas a uma única espécie ou existem dois tipos distintos vivendo lado a lado? Ao comparar os dados observados com as previsões de três cenários diferentes — um onde cada estrela é uma estrela de nêutrons, um onde cada estrela é uma estrela de quarks, e um onde ambos os tipos existem juntos — os pesquisadores descobriram que o universo é provavelmente mais diverso do que se pensava anteriormente.

Os pesquisadores não se basearam em uma única teoria de como a matéria se comporta dentro dessas estrelas. Em vez disso, construíram um modelo flexível e orientado por dados que poderia se adaptar ao que as observações sugerissem, permitindo que os dados falassem por si mesmos. Eles alimentaram esse modelo com informações de seis objetos celestes específicos: quatro pulsares cujos tamanhos e massas foram medidos com alta precisão, e as duas estrelas envolvidas no famoso evento de onda gravitacional GW170817, que forneceram pistas sobre a facilidade com que essas estrelas podem ser esmagadas. Eles também incluíram limites teóricos sobre como a matéria se comporta em densidades incrivelmente altas, derivados de nossa melhor compreensão da física de partículas. A equipe então testou cada combinação possível dessas seis estrelas, perguntando se cada uma era uma estrela de nêutrons ou uma estrela de quarks, para ver qual arranjo geral melhor se ajustava aos dados.

Os resultados apontaram fortemente para um cenário de "duas famílias". No caso mais provável, o universo contém dois ramos distintos de estrelas compactas. As estrelas mais pesadas, mais massivas, pertencem a uma família, enquanto as mais leves pertencem a outra. Especificamente, o estudo sugere que o pulsar mais massivo observado, conhecido como PSR J0740+6620, é provavelmente uma estrela de quarks estranhos — um objeto auto-ligado feito inteiramente de quarks desconfinados. Em contraste, as outras cinco estrelas da amostra, incluindo as duas que colidiram para criar as ondas gravitacionais, são melhor descritas como estrelas de nêutrons tradicionais. Esta descoberta é significativa porque resolve uma tensão de longa data na astrofísica. Espera-se que as estrelas de nêutrons tenham um limite de tamanho máximo; se ficarem muito pesadas, devem colapsar em buracos negros. No entanto, observamos pulsares que são quase duas vezes mais pesados que o Sol. Se todas as estrelas fossem estrelas de nêutrons, sua estrutura interna precisaria ser incrivelmente rígida para suportar tal peso, mas essa rigidez as tornaria grandes demais para se ajustar às medições de tamanho das estrelas menores. Ao permitir que a estrela pesada seja um tipo de objeto inteiramente diferente, o estudo oferece uma solução natural: a estrela pesada é uma estrela de quarks, que pode ser muito mais massiva e compacta, enquanto as estrelas mais leves permanecem como estrelas de nêutrons com uma estrutura mais macia e flexível.

O estudo também revelou como a velocidade do som viaja através da matéria dentro dessas estrelas, uma propriedade que nos diz o quão rígido ou macio é o material. No cenário em que todas as estrelas são estrelas de nêutrons, a velocidade do som mostra um pico agudo e inesperado em certas densidades, uma característica que tem intrigado os físicos por anos. No entanto, no cenário favorecido de duas famílias, esse pico desaparece. Em vez disso, a velocidade do som sobe constantemente e depois se estabiliza, um comportamento mais suave que se alinha melhor com as expectativas teóricas de como a matéria deve agir sob tal pressão esmagadora. Isso sugere que a estrutura interna de uma estrela de nêutrons é fundamentalmente diferente da de uma estrela de quarks, e que o universo não força todas as estrelas compactas a um único molde.

Embora a evidência ainda não seja absoluta, o peso estatístico dos dados favorece esta população mista. Os pesquisadores calcularam que o cenário de duas famílias é cerca de seis vezes mais provável do que o cenário onde todas as estrelas são estrelas de quarks up-down, e significativamente mais provável do que o cenário onde todas as estrelas são estrelas de nêutrons. Este nível de confiança é descrito como "evidência moderada", o que significa que os dados apontam fortemente nessa direção, mas deixam espaço para observações futuras refinarem o quadro. A classificação da estrela mais pesada como uma estrela de quarks também tem implicações profundas para a natureza da própria matéria. Apoia a hipótese de que a matéria de quarks estranhos pode ser a forma mais estável de matéria no universo, potencialmente existindo em um estado que nunca decai. Se verdadeiro, isso poderia significar que pequenos fragmentos desta matéria estranha, conhecidos como strangelets, poderiam ter sobrevivido desde o início do universo e poderiam até constituir uma forma de matéria escura, embora isso permaneça uma possibilidade especulativa.

O estudo também testou o quão sensíveis são estas conclusões à maneira como os astrônomos interpretam os dados de um pulsar específico, PSR J0030+0451. Dependendo do modelo usado para analisar os pontos quentes na superfície desta estrela, a classificação daquele pulsar específico poderia oscilar entre ser uma estrela de nêutrons ou uma estrela de quarks. No entanto, a identificação da estrela mais pesada, PSR J0740+6620, como uma estrela de quarks permaneceu robusta em todos os modelos testados. Esta estabilidade sugere que a distinção entre as duas famílias é uma característica real do cosmos, não apenas um artefato de como medimos um objeto específico. À medida que novos telescópios e detectores de ondas gravitacionais entram em operação, eles fornecerão dados ainda mais nítidos, potencialmente confirmando se essas duas famílias de estrelas realmente coexistem no céu noturno, revelando uma população de remanescentes estelares mais complexa e variada do que jamais imaginamos.