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Poderia a fonte do evento GW190814 ser um buraco negro - um estranho sistema estelar de quark?
A natureza da estrela secundária de GW190814 é enigmática, já que, de acordo com as observações astronômicas atuais, pode ser a estrela de nêutrons mais pesada ou o buraco negro mais leve já observado.
Por ngrid Fadelli - 09/06/2021


Relações massa-raio de estrelas de nêutrons (curvas NS1 e NS2) e estrelas de quark estranhas (curva QS) em comparação com vários dados astrofísicos, incluindo a medição NICER recente (Riley at al. 2021 e Miller et al. 2021) do raio do milissegundo pulsar J0740 + 6620. Também é mostrado um exemplo de salto (seta pontilhada em vermelho) da primeira família para a segunda família de estrelas para os dois modelos de estrelas de nêutrons. Crédito: Bombaci et al.

No dia 14 de agosto de 2019, a colaboração LIGO-Virgo detectou um sinal de onda gravitacional que se acredita estar associado à fusão de um sistema estelar binário composto por um buraco negro com uma massa de 23 vezes a massa do sol ( M ⊙) e um objeto compacto com uma massa de cerca de 2,6 M⊙. A natureza da estrela secundária de GW190814 é enigmática, já que, de acordo com as observações astronômicas atuais, pode ser a estrela de nêutrons mais pesada ou o buraco negro mais leve já observado.

Pesquisadores da Universidade de Pisa, da Universidade de Ferrara e do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) da Itália realizaram recentemente um estudo explorando a possibilidade de que a fonte do evento GW190814 detectado pelo LIGO-Virgo seja um buraco negro estranho estrela de quark sistema. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , é baseado em um modelo astrofísico que eles desenvolveram há vários anos.

"A primeira condição exigida por nosso modelo é que a densidade central de estrelas de nêutrons massivas seja alta o suficiente para permitir uma transição de uma fase de matéria nuclear 'normal' (um fluido consistindo de nêutrons, prótons e possivelmente outras partículas, como hiperons) para uma nova fase que consiste em um fluido composto pelos três tipos mais leves de quarks, a saber, os quarks up (u), down (d) e estranhos (a chamada matéria quark estranha), "Ignazio Bombaci, Alessandro Drago , Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara e Isaac Vidaña, os pesquisadores que realizaram o estudo, disseram ao Phys.org por e-mail. "Além disso, se a matéria quark estranha é absolutamente estável (a chamada hipótese de Bodmer-Terezawa-Witten), então a transição é de primeira ordem, e nêutron 'normal' estrelas além de um valor limite de sua massa tornam-se metaestáveis ​​e podem ser convertidas em estranhas estrelas de quark. "

O cenário astrofísico explorado por Bombaci e seus colegas propõe que, na natureza, existem duas famílias coexistentes de estrelas compactas, a saber, estrelas de nêutrons "normais" e estrelas de quark estranhas. Além disso, quando uma estrela de nêutrons é convertida em uma estranha estrela de quark, ela libera uma quantidade significativa de energia (aproximadamente 10 53 erg), que se assemelha à energia liberada durante uma explosão de supernova.

Representação artística da fusão entre um buraco negro
e uma estrela de nêutrons

"Um equívoco comum e ainda popular é que a transição de fase para matéria quark estranha torna o material estelar mais macio, ou seja, mais comprimível", explicaram os pesquisadores. "Este equívoco é baseado na crença errada de que os quarks podem ser considerados como partículas não interagentes (gás Fermi ideal). A introdução de uma dinâmica de quark mais sofisticada indicou inequivocamente que a matéria quark estranha é bastante rígida, e estrelas de quark estranhas podem, portanto, ter grandes massas até quase três vezes a massa do Sol (M⊙). "
 
Quando Bombaci e seus colegas analisaram pela primeira vez os dados associados ao evento de onda gravitacional GW190814, especificamente o valor da massa do objeto compacto secundário do sistema binário (ou seja, 2,50 - 2,67 M ⊙), eles perceberam que este objeto poderia ser parte do segundo família de estrelas compactas (ou seja, uma estrela quark estranha de alta massa).

De acordo com o paradigma atualmente aceito na astronomia, existe apenas uma família de estrelas compactas (ou seja, a família de estrelas de nêutrons). Além disso, o paradigma sugere que há uma correspondência de um para um entre a densidade central e a pressão de uma estrela de nêutrons e sua massa e raio. Isso significa que medir a massa e o raio de várias estrelas de nêutrons individuais poderia permitir aos pesquisadores inferir a relação entre a pressão e a densidade do material estelar, determinando a chamada equação do estado da matéria densa.

Como no cenário considerado por Bombaci e seus colegas, existem duas famílias coexistentes de estrelas compactas; sua conexão com a equação de estado da matéria densa deveria idealmente ser explorada de uma perspectiva nova e diferente.

"Em nossa opinião, esta é uma das percepções mais significativas que nosso trabalho traz para os campos da astrofísica e da física da matéria densa", disseram os pesquisadores. "Outra implicação relevante é que, em nosso cenário, existem três tipos possíveis de fusões: estrela de nêutrons - estrela de nêutrons, estrela de nêutrons - estrela de quark estranha, estrela de quark estranha - estrela de quark estranha. A fenomenologia das fusões é, portanto, muito diferente da caso em que há apenas uma família de estrelas compactas. "

O recente artigo de Bombaci e seus colegas descreve três tipos diferentes de possíveis fusões entre estrelas. Além disso, sugere que, se a matéria quark estranha for absolutamente estável, até a matéria escura poderia ser, pelo menos em parte, feita de grandes pedaços de quarks up, down e estranhos. Esta hipótese ainda não foi descartada por qualquer observação experimental.

Dados futuros coletados por detectores de ondas gravitacionais combinados com medições precisas de massa-raio podem ajudar a testar a hipótese apresentada por esta equipe de pesquisadores.

"Em particular, devemos ter a oportunidade de testar nosso modelo de cenário de duas famílias com restrições mais rigorosas", disseram os pesquisadores. "Também esperamos aprender com a fenomenologia das fusões, em particular com a análise do sinal de kilonova: o sinal esperado é bastante diferente em nosso cenário daquele em que existe apenas uma família de estrelas compactas ."

 

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