Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

No coração profundo do universo, onde a gravidade é tão intensa que esmaga a matéria em um estado mais denso do que qualquer material na Terra, jazem os remanescentes de estrelas mortas. Estas são estrelas de nêutrons, os cadáveres cósmicos de sóis massivos que colapsaram sob seu próprio peso. Embora compreendamos as camadas externas desses objetos, seus núcleos permanecem um mistério profundo. A pressão no interior é tão extrema que pode forçar prótons e nêutrons a se dissolverem em uma sopa de suas partes constituintes, conhecida como matéria de quarks. Ao mesmo tempo, o universo está repleto de matéria escura invisível, uma substância que não emite luz, mas exerce gravidade. Por décadas, cientistas se perguntaram o que aconteceria se esses dois enigmas cósmicos colidissem: e se uma estrela de nêutrons não fosse feita apenas de matéria comum, mas também contivesse uma quantidade significativa de matéria escura aprisionada em seu núcleo?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Goethe, em Frankfurt, deu um novo olhar a essa possibilidade, combinando a física da matéria de quarks com a física da matéria escura para ver como elas remodelam a vida de uma estrela de nêutrons. Eles focaram em um cenário específico onde a transição da matéria normal para a matéria de quarks é súbita e violenta, em vez de gradual. No mundo das estrelas de fluido único, tal salto súbito geralmente cria uma lacuna de estabilidade, significando que estrelas com certas massas simplesmente não podem existir. No entanto, os pesquisadores descobriram que a adição de um segundo fluido de matéria escura muda as regras inteiramente. Ao simular essas estrelas híbridas, eles descobriram que a matéria escura pode agir como um agente estabilizador, suavizando as lacunas e permitindo novos tipos de estrelas que antes eram considerados impossíveis.

O estudo revela que, quando a matéria escura está presente, ela pode alterar a estrutura de uma estrela de nêutrons de duas maneiras muito diferentes, criando duas famílias distintas de objetos ultracompactos. Em um cenário, a matéria escura forma um núcleo denso escondido nas profundezas da estrela, cercado por uma camada de matéria normal. No outro, a matéria escura forma um halo vasto e difuso que envolve toda a estrela, estendendo-se muito além da superfície visível da matéria normal. Notavelmente, ambos os tipos de estrelas podem ser incrivelmente pequenas e pesadas, compactando tanta massa em um espaço tão pequeno que se aproximam dos limites do que a física permite. Os pesquisadores descobriram que essas estrelas ultracompactas podem ter um valor de compacidade de pelo menos um terço, um limiar onde a estrela é tão densa que a luz pode orbitá-la, uma característica geralmente associada a buracos negros.

O que torna esta descoberta particularmente impressionante é como a matéria escura altera a relação entre a massa e o tamanho de uma estrela. Em uma estrela de nêutrons padrão, se você adicionar mais massa, a estrela encolhe. Mas com a matéria escura envolvida, os pesquisadores descobriram que o tamanho visível da estrela pode encolher dramaticamente enquanto sua massa total permanece alta, ou inversamente, a estrela pode manter um tamanho visível semelhante enquanto carrega uma quantidade vastamente diferente de matéria escura. Isso leva a um fenômeno que os autores chamam de "gêmeos definitivos". Estes são pares de estrelas que parecem idênticas aos nossos telescópios — tendo a mesma massa e o mesmo raio visível — mas são fundamentalmente diferentes por dentro. Uma pode ser uma estrela híbrida pura com um núcleo de quarks, enquanto sua gêmea é uma estrela híbrida com um enorme halo de matéria escura. Para um observador medindo apenas o tamanho e o peso da estrela, elas pareceriam o mesmo objeto, embora sua composição interna e sua resposta às forças gravitacionais fossem completamente diferentes.

Os pesquisadores também observaram como essas estrelas se comportariam se colidissem ou fossem puxadas pela gravidade de uma estrela companheira. Eles descobriram que a presença de matéria escura deixa uma impressão digital clara na forma de ondas gravitacionais. Os "gêmeos definitivos" que identificaram produziriam sinais diferentes quando interagem com outras estrelas, mesmo que pareçam iguais na luz visível. Além disso, o estudo examinou a luz escapando da superfície dessas estrelas. Como a gravidade curva a luz, a luz de uma estrela muito densa é esticada, ou sofre um desvio para o vermelho (redshift), conforme viaja até nós. A equipe descobriu que os dois tipos de estrelas ultracompactas produzem redshifts muito diferentes. As estrelas com um núcleo de matéria escura mostram um alto redshift, semelhante ao que esperamos das estrelas normais mais densas. Em contraste, as estrelas com um halo de matéria escura mostram um redshift surpreendentemente baixo, apesar de serem tão compactas quanto. Esse resultado contraintuitivo acontece porque grande parte da massa da estrela na versão de halo está localizada fora da superfície onde a luz é emitida, de modo que a luz não precisa subir de um poço gravitacional tão profundo quanto se poderia esperar.

Essas descobertas sugerem que o universo pode estar escondendo um zoológico de estrelas exóticas que ainda não identificamos. Os pesquisadores propõem que telescópios futuros, que serão capazes de medir o tamanho e a massa de estrelas de nêutrons com muito mais precisão do que os instrumentos atuais, poderiam detectar essas anomalias. Se um telescópio detectar uma estrela que é incrivelmente pequena e pesada, ou se detectores de ondas gravitacionais ouvirem um sinal que não corresponde ao tamanho visível da estrela, isso pode ser a primeira evidência de matéria escura vivendo dentro de uma estrela de nêutrons. O estudo não afirma ter encontrado essas estrelas ainda, mas fornece um mapa detalhado de onde procurar e o que esperar. Ele mostra que a interação entre a transição súbita para a matéria de quarks e a presença de matéria escura cria um rico cenário de possibilidades, transformando a estrela de nêutrons em um laboratório onde as leis da gravidade e da física de partículas são testadas nas condições mais extremas imagináveis.

O trabalho também esclarece uma questão de longa data sobre a estabilidade dessas estrelas. Em modelos anteriores, pensava-se que uma mudança súbita da matéria normal para a matéria de quarks criaria uma região instável onde as estrelas não poderiam existir. Os pesquisadores descobriram que a adição de matéria escura remove essa instabilidade. Em vez de uma lacuna na sequência de estrelas possíveis, a presença de matéria escura cria um caminho contínuo, permitindo que as estrelas transitem suavemente de um estado para outro sem colapsar. Isso significa que as "estrelas gêmeas" previstas por teorias anteriores podem não ser tão raras ou distintas quanto se pensava; elas podem fazer parte de uma família contínua de estrelas que simplesmente carregam quantidades diferentes de matéria escura. O estudo conclui que a busca por matéria escura pode não exigir olhar para os espaços vazios entre as galáxias, mas sim para os objetos mais densos e compactos do universo, onde o invisível e o visível estão unidos em um abraço gravitacional.