Os núcleos das estrelas de nêutrons contêm matéria nas densidades mais altas alcançadas em nosso universo atual, com até duas massas solares de matéria comprimidas dentro de uma esfera de 25 km de diâmetro. Esses objetos astrofísicos podem de fato ser considerados núcleos atômicos gigantes, com a gravidade comprimindo seus núcleos a densidades muitas vezes superiores às dos prótons e nêutrons individuais.

Estas densidades tornam as estrelas de nêutrons objetos astrofísicos interessantes do ponto de vista da física de partículas e nuclear . Um problema em aberto de longa data é se a imensa pressão central das estrelas de nêutrons pode comprimir prótons e nêutrons em uma nova fase da matéria , conhecida como matéria quark fria. Neste estado exótico da matéria, prótons e nêutrons individuais não existem mais.

“Os seus quarks e glúons constituintes são, em vez disso, libertados do seu típico confinamento de cor e podem mover-se quase livremente”, explica Aleksi Vuorinen, professor de física teórica de partículas na Universidade de Helsínquia.

Num novo artigo publicado na Nature Communications , uma equipa centrada na Universidade de Helsínquia forneceu uma estimativa quantitativa inédita para a probabilidade de núcleos de matéria quark dentro de estrelas massivas de neutrões. Eles mostraram que, com base nas observações astrofísicas atuais, a matéria quark é quase inevitável nas estrelas de nêutrons mais massivas: uma estimativa quantitativa extraída pela equipe colocou a probabilidade na faixa de 80-90%.

A pequena probabilidade restante de todas as estrelas de nêutrons serem compostas apenas por matéria nuclear exige que a mudança da matéria nuclear para a matéria quark seja uma forte transição de fase de primeira ordem, algo semelhante à da água líquida que se transforma em gelo. Este tipo de mudança rápida nas propriedades da matéria da estrela de nêutrons tem o potencial de desestabilizar a estrela de tal forma que a formação de até mesmo um minúsculo núcleo de matéria quark resultaria no colapso da estrela em um buraco negro.

A colaboração internacional entre cientistas da Finlândia, Noruega, Alemanha e EUA conseguiu mostrar ainda mais como a existência de núcleos de matéria quark pode um dia ser totalmente confirmada ou descartada. A chave é ser capaz de restringir a força da transição de fase entre a matéria nuclear e a matéria quark, que se espera que seja possível assim que um dia for registado um sinal de onda gravitacional da última parte de uma fusão binária de estrela de nêutrons.

Um ingrediente chave na obtenção dos novos resultados foi um conjunto de cálculos massivos de supercomputadores utilizando a inferência Bayesiana – um ramo da dedução estatística onde se inferem as probabilidades de diferentes parâmetros do modelo através da comparação direta com dados observacionais.

A componente bayesiana do estudo permitiu aos investigadores derivar novos limites para as propriedades da matéria das estrelas de nêutrons, demonstrando que se aproximam do chamado comportamento conforme perto dos núcleos das estrelas de nêutrons estáveis mais massivas .

Joonas Nättilä, um dos principais autores do artigo, descreve o trabalho como um esforço interdisciplinar que exigiu conhecimentos de astrofísica, física de partículas e nuclear, bem como ciência da computação. Ele está prestes a começar como Professor Associado na Universidade de Helsinque em maio de 2024.

"É fascinante ver concretamente como cada nova observação de estrela de nêutrons nos permite deduzir as propriedades da matéria das estrelas de nêutrons com precisão crescente."

Joonas Hirvonen, Ph.D. estudante que trabalha sob a orientação de Nättilä e Vuorinen, por outro lado, enfatiza a importância da computação de alto desempenho:

"Tivemos que usar milhões de horas de CPU de tempo de supercomputador para podermos comparar nossas previsões teóricas com as observações e para restringir a probabilidade de núcleos de matéria quark. Estamos extremamente gratos ao centro de supercomputadores finlandês CSC por nos fornecer todos os recursos que precisamos!"