Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

Nas profundezas dos objetos mais extremos do universo, a matéria é esmagada a densidades que não podem ser criadas em nenhum laboratório na Terra. Esses objetos são estrelas de nêutrons, os remanescentes superdensos de estrelas massivas que explodiram. Por décadas, físicos têm debatido o que reside no centro absoluto dessas estrelas. Enquanto as camadas externas são feitas de núcleos atômicos familiares, o núcleo pode estar tão comprimido que prótons e nêutrons se dissolvem em uma sopa de suas partes constituintes, conhecidas como quarks. Essa mudança da matéria nuclear comum para um núcleo de quarks é chamada de transição de fase, semelhante à forma como a água se transforma em gelo, mas ocorrendo sob condições de pressão e gravidade imensas. Compreender se isso acontece, e como, é crucial porque revelaria as regras fundamentais que governam como a matéria se comporta quando espremida ao seu limite absoluto.

Um novo estudo realizado por pesquisadores da Alemanha e da Irlanda explora o que aconteceria se tal transição ocorresse dentro de uma estrela de nêutrons jovem e quente, conhecida como protoestrela de nêutrons. Essas estrelas nascem no rescaldo violento de uma explosão de supernova e ainda estão esfriando enquanto engolem mais material de seus arredores. Os pesquisadores investigaram um cenário específico onde o núcleo da estrela muda subitamente de matéria normal para matéria de quarks. Eles descobriram que esse evento não seria apenas uma mudança interna silenciosa; ele desencadearia um sinal dramático, de duas partes, que poderia ser detectado por instrumentos futuros. O evento enviaria ondulações no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, em duas velocidades muito diferentes ao mesmo tempo, enquanto também liberaria uma explosão de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos.

Os pesquisadores construíram uma coleção massiva de modelos computacionais para simular esse processo. Em vez de adivinhar uma única resposta sobre como a matéria se comporta, eles criaram milhares de versões possíveis da estrutura interna da estrela de nêutrons, todas consistentes com as leis conhecidas da física e observações de estrelas reais. Eles então observaram como essas estrelas simuladas evoluíam conforme acumulavam mais massa. Em muitos desses modelos, o peso adicional eventualmente empurrava o núcleo além de um ponto de inflexão, forçando a conversão súbita para matéria de quarks. A equipe calculou exatamente que tipo de sinal essa conversão produziria. Eles descobriram que o evento cria dois tipos distintos de ondas gravitacionais. O primeiro é um estrondo de baixa frequência, na faixa de quilohertz, causado pelo ajuste da forma inteira da estrela conforme o núcleo encolhe e se torna mais denso. O segundo é um surto de frequência muito mais alta, na faixa de megahertz, causado pela colisão microscópica de pequenas bolhas da nova matéria de quarks conforme elas se formam e se expandem pela estrela.

Esses dois sinais estão ligados de uma forma que poderia ajudar os cientistas a decodificar a física da transição. A onda de baixa frequência nos diz sobre o tamanho geral e a estrutura da estrela, enquanto o surto de alta frequência revela detalhes sobre o processo microscópico de formação e colisão das bolhas. O estudo mostra que, se pudéssemos detectar ambos os sinais do mesmo evento, poderíamos usar a informação da onda de baixa frequência para restringir as possibilidades para a de alta frequência. Isso nos permitiria medir propriedades que são atualmente impossíveis de determinar, como a tensão superficial da fronteira entre os dois tipos de matéria. Os pesquisadores também descobriram que este evento seria acompanhado por um segundo surto de neutrinos, chegando alguns centenas de milissegundos a um par de segundos após a explosão inicial. Esse atraso é determinado pelo tempo que a estrela leva para acumular massa suficiente para desencadear a transição.

As descobertas sugerem que capturar esse sinal de múltiplos mensageiros seria um grande avanço. Embora os detectores de ondas gravitacionais atuais sejam sensíveis o suficiente para ouvir o estrondo de baixa frequência, eles ainda não são capazes de ouvir o surto de megahertz de alta frequência. No entanto, o estudo aponta que a próxima geração de detectores, que está sendo planejada atualmente, poderia potencialmente ouvir ambos. Se um observatório futuro detectar a onda de baixa frequência e um instrumento especializado de alta frequência captar o surto de alta frequência simultâneo, juntamente com o sinal de neutrino atrasado, isso proporcionará uma imagem completa da transição de fase. Isso confirmaria que a matéria de quarks existe nos núcleos das estrelas de nêutrons e nos daria nosso primeiro olhar direto sobre como a matéria se comporta sob as condições mais extremas do cosmos. A pesquisa não afirma ter encontrado este sinal ainda, mas fornece um roteiro claro do que procurar e como interpretar quando a tecnologia alcançar esse nível.