Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

Longe, nas profundezas do cosmos, muito além do alcance de qualquer telescópio ou espaçonave, encontram-se os laboratórios mais extremos do universo: as estrelas de neutrões. Estas são os núcleos colapsados de estrelas massivas que morreram, esmagados até que uma única colher de chá do seu material pesasse tanto quanto uma montanha. Dentro destes remanescentes estelares, a matéria é comprimida de forma tão intensa que desafia as regras que observamos na vida quotidiana. No centro mesmo, onde a pressão é inimaginável, os próprios átomos podem desintegrar-se. Os protões e neutrões que normalmente mantêm a matéria unida poderiam dissolver-se numa sopa dos seus blocos de construção menores, conhecidos como quarks. Este estado hipotético da matéria, onde os quarks vagam livremente em vez de estarem presos dentro de partículas, é chamado de matéria de quarks. Se existir, formaria uma estrela híbrida — um objeto cósmico com um núcleo de matéria de quarks exótica rodeado por uma camada de matéria nuclear normal. Compreender se estas estrelas existem, e como elas são, é um dos grandes desafios da astrofísica moderna, pois revelaria como a natureza se comporta sob as condições mais intensas possíveis.

Durante anos, os cientistas tentaram reconstruir a estrutura interna destas estrelas combinando modelos teóricos com observações do mundo real. Eles possuem dados de telescópios que observam raios-X a ricochetear nas superfícies das estrelas de neutrões, e possuem dados de detetores de ondas gravitacionais que escutam as ondulações no espaço-tempo causadas pela colisão de duas estrelas de neutrões. Num estudo recente, uma equipa de investigadores da Universidade de Coimbra, em Portugal, revisitou este enigma. Eles tinham anteriormente criado um conjunto de modelos sugerindo que as estrelas de neutrões mais pesadas deveriam conter grandes núcleos desta exótica matéria de quarks. No entanto, o seu novo trabalho questionou algo diferente: e se os núcleos de quarks forem muito menores, ou mesmo quase inexistentes? Ao relaxar o requisito estrito de que os núcleos tivessem de ser enormes, eles geraram um novo conjunto de possibilidades que se alinha muito melhor com as mais recentes medições astronómicas.

Os investigadores utilizaram um método estatístico poderoso para filtrar milhares de cenários possíveis. Começaram com dois ingredientes principais para os seus modelos: uma descrição da matéria normal encontrada nas camadas exteriores da estrela, e uma descrição da potencial matéria de quarks no centro. Em seguida, testaram estes modelos contra uma lista de verificação rigorosa de dados do mundo real. Esta lista de verificação incluía as propriedades conhecidas da matéria nuclear, as massas e tamanhos precisos de várias estrelas de neutrões específicas observadas pelo telescópio de raios-X NICER, e os detalhes da colisão entre duas estrelas de neutrões detetada pelos observatórios LIGO e Virgo. No seu trabalho anterior, eles forçaram os modelos a produzir estrelas com núcleos de quarks massivos, o que empurrava a transição da matéria normal para a matéria de quarks para densidades relativamente baixas. Neste novo estudo, eles removeram essa restrição específica. Eles ainda exigiam que as estrelas mais pesadas tivessem alguma matéria de quarks no interior, mas permitiram que o tamanho desse núcleo fosse qualquer coisa, desde minúsculo a grande, deixando os dados decidirem o que era mais provável.

Os resultados desta nova abordagem foram impressionantes. Os modelos que permitiam núcleos de quarks menores, que a equipa apelidou de conjunto "SmallQ", produziram estrelas de neutrões ligeiramente menores em raio e menos deformáveis do que as dos seus modelos anteriores. Isto tornou os novos modelos um ajuste muito melhor para as observações reais do telescópio NICER e para os dados de ondas gravitacionais. Nos modelos anteriores com grandes núcleos, a transição para a matéria de quarks acontecia a uma densidade cerca de duas a duas vezes e meia a densidade dos núcleos atómicos normais. Nos novos modelos, mais bem-sucedidos, esta transição foi empurrada muito mais para o interior da estrela, ocorrendo a densidades entre três e quatro vezes e meia a densidade nuclear normal. Este atraso na transição significa que a camada de matéria normal da estrela é mais espessa, e o núcleo exótico é menor ou, em alguns casos, quase inexistente mesmo nas estrelas mais pesadas.

Esta mudança no tempo da transição de fase também alterou a composição interna das estrelas. Nos modelos com grandes núcleos, a matéria de quarks era dominada por quarks up e down. Nos novos modelos com núcleos menores, os quarks strange — um tipo mais pesado de quark — tornaram-se muito mais abundantes, compondo uma fração maior da composição do núcleo. Curiosamente, os novos modelos sugerem que algumas das estrelas de neutrões mais pesadas, aquelas que pesam o dobro do nosso Sol, podem conter muito pouca ou nenhuma matéria de quarks. Isto desafia a ideia de que as estrelas mais pesadas devam necessariamente ser dominadas por matéria exótica. Em vez disso, sugere que a transição para a matéria de quarks é um evento raro que só acontece sob pressões extremas, ou talvez nem sequer ocorra em algumas das estrelas mais pesadas que observamos.

O estudo também analisou como o tamanho de uma estrela de neutrões muda à medida que a sua massa aumenta. Para estrelas feitas apenas de matéria normal, o raio tende a encolher à medida que a estrela fica mais pesada. Para estrelas com matéria exótica, a relação pode ser mais complexa. Os investigadores descobriram que, no seu novo conjunto de modelos, um número significativo de estrelas ainda mostrava uma inclinação positiva na relação massa-raio em massas mais baixas, o que significa que ficavam ligeiramente maiores à medida que ganhavam peso. No entanto, a uma massa de 1,8 vezes a do Sol, a vasta maioria destes modelos retornava ao comportamento esperado de encolhimento. Esta é uma distinção crucial porque, nos seus modelos anteriores com grandes núcleos, uma inclinação positiva era comum mesmo nestas massas elevadas. O facto de os novos modelos mostrarem maioritariamente o comportamento padrão de encolhimento em massas elevadas, enquanto ainda se ajustam aos dados observacionais, sugere que a presença de um grande núcleo de quarks não é necessária para explicar as estrelas que vemos.

Em última análise, este trabalho refina a nossa compreensão da matéria mais densa do universo. Ao permitir que o tamanho do núcleo de quarks varie livremente, em vez de forçá-lo a ser grande, os investigadores encontraram um conjunto de modelos que é mais consistente com o universo tal como o observamos. Estes modelos sugerem que, se a matéria de quarks existe nos corações das estrelas de neutrões, é provável que esteja confinada a uma pequena região no centro mesmo, aparecendo apenas quando a densidade atinge níveis extremos. As descobertas não excluem a existência de matéria de quarks, mas sugerem que a transição para este estado exótico é mais difícil de alcançar do que anteriormente pensado. À medida que os astrónomos continuam a reunir dados mais precisos sobre os tamanhos e massas das estrelas de neutrões, estes modelos refinados servirão como um guia crítico, ajudando a determinar se os núcleos destes gigantes cósmicos são feitos dos estranhos e livres quarks teorizados há muito tempo, ou se permanecem compostos inteiramente pela matéria familiar que constitui o nosso próprio mundo.