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Um estado da matéria visto pela última vez logo após o Big Bang pode existir dentro de estrelas de nêutrons – e os cientistas acham que podem provar isso
Em breve poderemos “ver” o interior de uma estrela de nêutrons e aprender que matéria extrema governada pela física exótica se esconde lá, graças à impressão das interações das marés nas ondas gravitacionais emitidas por pares de estrelas de nêutrons que espiralam em direção a uma fusão explosiva.
“Uma esperança é que possamos obter alguma informação sobre a equação de estado da estrela de nêutrons em densidades encontradas no núcleo interno de uma estrela de nêutrons. estrela de nêutrons“, disse Nicolás Yunes, da Universidade de Illinois, que liderou a pesquisa, em um declaração. “Existe realmente um Quark núcleo, como alguns afirmaram recentemente? Existem transições de fase ocorrendo lá dentro que ainda não conhecemos?”
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No entanto, nas profundezas de uma estrela de nêutrons, perto de seu núcleo, as coisas podem ser ainda mais estranhas. A pressão gravitacional poderia ser tão extrema que esmagaria os nêutrons em seus blocos de construção, que são partículas fundamentais chamadas quarks e os glúons que normalmente ligam quarks para formar prótons e nêutrons.
Os cientistas chamam esse estado da matéria de plasma de quark-glúon. Este estado da matéria existiu durante a primeira fração de segundo após o Big Bange fora dos experimentos com aceleradores de partículas, o único outro local no universo onde pode existir plasma de quark-glúon é dentro de estrelas de nêutrons.
Se os cientistas conseguissem compreender o interior das estrelas de neutrões, poderiam, portanto, aprender mais sobre o estado da matéria imediatamente após o Big Bang.
As estrelas binárias de nêutrons há muito são consideradas a melhor aposta para decifrar o que se esconde dentro delas. Esses pares de estrelas de nêutrons giram em torno um do outro em órbitas elípticas, aproximando-se cada vez mais até colidirem e se fundirem em um quilonova. Crucialmente, sua inspiração vê o lançamento de ondas gravitacionais.
Agora, os cientistas liderados por Yunes e Abhishek Hegade, da Universidade de Princeton, pensam ter descoberto como decifrar a frequência destas ondas gravitacionais para interpretar a estrutura interior das estrelas de neutrões.
“À medida que se aproximam, as forças de maré de uma estrela (de nêutrons) começam a deformar a outra e vice-versa”, disse Hegade. “A quantidade de deformação depende do que há dentro dessas estrelas.”
O problema é que a extrema gravidade e a alta velocidade (até 40% da velocidade da luz) das estrelas de nêutrons enquanto elas giram umas em torno das outras significa que os cientistas precisam olhar para Albert Einsteinde teoria geral da relatividade para soluções. Este é um empreendimento complexo, mas Yunes e Hegade acham que agora têm a resposta.
À medida que as estrelas binárias de nêutrons deformam a forma e a estrutura umas das outras por meio de suas marés gravitacionais, elas desencadeiam oscilações em seu interior, como o toque de um sino. Os padrões dessas oscilações são chamados de modos, e a frequência desses modos é impressa nas ondas gravitacionais que as estrelas de nêutrons binárias irradiam.
Um conjunto completo de modos é necessário para compreender o sistema binário. Discernir estes modos, no entanto, é complicado pelo facto de as forças das marés serem dinâmicas: elas mudam à medida que as estrelas de neutrões orbitam umas às outras, e os efeitos de cada estrela de neutrões sobrepõem-se, tornando ainda mais difícil distinguir o que está a acontecer.
“Sem um conjunto completo de modos, é inteiramente possível que você perca parte da resposta da maré ao modelá-la, pois pode haver outras peças que você está omitindo da descrição matemática da resposta necessária para capturar toda a física”, disse Yunes.
A física newtoniana – isto é, a física básica da gravidade de acordo com Isaac Newtonlei da gravitação de – contém um conjunto completo de modos de oscilação para um objeto regular. Esses modos são chamados de oscilador harmônico amortecido. No entanto, na física relativística, não está claro se todos os modos poderiam ser derivados. Por exemplo, as ondas gravitacionais que irradiam energia de estrelas binárias de nêutrons são um fenômeno da relatividade geral, que sucedeu à gravidade newtoniana e, como tal, não são consideradas pela física newtoniana.
“Se o seu sistema está perdendo energia, então seus modos não podem ser completos”, disse Hegade.
A solução foi decompor o problema, considerando cada estrela de nêutrons individualmente e sua companheira apenas como uma fonte de marés gravitacionais. A equipe de Yunes e Hegade dividiu então cada estrela de nêutrons em regiões separadas de força gravitacional variável em escalas diferentes, descrevendo uma gravidade forte e uma gravidade mais fraca. Eles encontraram soluções aproximadas para cada escala e depois as combinaram. Eles até descobriram que a perda de energia das ondas gravitacionais foi efetivamente anulada. Isto permitiu-lhes derivar uma solução que descreve todos os modos oscilatórios do interior de uma estrela de nêutrons e, além disso, como esses modos seriam impressos na frequência das ondas gravitacionais resultantes.
“Mostramos duas coisas importantes”, disse Hegade. “Primeiro, fomos capazes de subtrair a radiação, descobrindo que os modos de uma estrela de nêutrons formam de fato um conjunto completo. Em segundo lugar, descobrimos que se você resolver consistentemente um certo conjunto de equações usando um campo de maré que seja suficientemente ‘suave’, é uma solução para o interior de uma estrela, e você pode fazer todas as mesmas coisas na relatividade geral como na gravidade newtoniana.”
Este não é o fim da história. O trabalho da equipa de Yunes e Hegade é puramente teórico nesta fase, e os actuais detectores de ondas gravitacionais não são suficientemente sensíveis a frequências mais altas para detectar esta impressão. No entanto, Yunes e Hegade estão otimistas de que a próxima geração de detectores resolverá o problema.
As descobertas foram publicadas em 18 de fevereiro na revista Cartas de revisão física.
