Estranha estrela quark pode ter se formado a partir de uma fusão cósmica sortuda

O universo pode conter objetos cósmicos hipotéticos extremamente densos e exóticos conhecidos como estrelas quark estranhas. Enquanto os astrofísicos continuam a debater a existência das estrelas do quark, uma equipe de físicos descobriu que o remanescente de uma fusão de estrelas de nêutrons observada em 2019 tem a massa certa para ser uma dessas estranhas estrelas quark.

As estrelas quark são extremamente densas — e atualmente hipotéticas — objetos cósmicos. (Crédito da imagem: bestdesigns via Getty Images) 

Quando as estrelas morrem, seus núcleos comprimem a graus tão incríveis que se tornam tipos totalmente novos de objetos. Por exemplo, quando o sol finalmente se apagar, ele deixará para trás uma anã branca, uma bola do tamanho de um planeta de átomos de carbono e oxigênio altamente comprimidos. Quando estrelas ainda maiores explodem em explosões cataclísmicas chamadas supernovas, elas deixam para trás estrelas de nêutrons.

Estes objetos incrivelmente densos têm apenas alguns quilômetros de diâmetro, mas podem pesar algumas vezes a massa do sol. Como o nome deles sugere, eles são feitos quase inteiramente de nêutrons puros, tornando-os essencialmente núcleos atômicos de largura de quilômetros.

Estrelas de nêutrons são tão exóticas que os físicos ainda não as entendem completamente. Enquanto podemos observar como as estrelas de nêutrons interagem com seus arredores e fazem alguns bons palpites sobre o que está acontecendo com toda essa matéria de nêutrons perto da superfície, a composição de seus núcleos permanece indescritível.

O problema é que os nêutrons não são partículas totalmente fundamentais. Embora se juntem a prótons para formar núcleos atômicos, os nêutrons são feitos de partículas ainda menores chamadas quarks.

Há seis tipos, ou "sabores", de quarks: para cima, para baixo, para cima, para cima, para baixo, para baixo, para baixo, estranho e charme. Um nêutron é composto de dois quarks para baixo e um quark para cima. Se você esmagar muitos átomos juntos, eles revertem para uma bola gigante de nêutrons. Então, se vocês esmagam muitos nêutrons juntos, eles revertem para uma bola gigante de quarks?

Assuntos estranhos

As respostas variam de "talvez" a "é complicado". O problema é que os quarks realmente não gostam de ficar sozinhos. A forte força nuclear, que liga quarks em um núcleo, realmente cresce com a distância. Se você tentar puxar dois quarks juntos, a força puxando-os para trás aumenta. Eventualmente, a energia atraente entre eles torna-se tão grande que novas partículas aparecem no vácuo, incluindo novos quarks que estão mais do que felizes em se ligar com os separados.

Se você fosse moldar um objeto macroscópico para fora dos quarks para cima ou para baixo que compõem um nêutron, esse objeto explodiria muito rapidamente e muito violentamente.

Representação de um artista de duas estrelas de nêutrons pouco antes de se fundir. (Crédito da imagem: NASA/Goddard Space Flight Center)

Mas pode haver um caminho usando quarks estranhos. Sozinhos, quarks estranhos são muito pesados, e quando são deixados sozinhos, eles rapidamente se decompõem no isqueiro para cima e para baixo quarks. Quando um grande número de quarks se agrupam, no entanto, a física pode mudar. Os físicos descobriram que quarks estranhos podem se ligar com quarks para cima e para baixo para formar trigêmeos, conhecidos como "strangelets", que podem ser estáveis — mas apenas sob pressões extremas. Como as pressões um passo acima de uma estrela de nêutrons.

Colisões cósmicas

Se você comprimir demais uma estrela de nêutrons, todos os nêutrons perdem sua capacidade de apoiar a estrela, e a coisa toda implode para fazer um buraco negro. Mas pode haver um passo espremido entre lá, onde as pressões são altas o suficiente para dissolver os nêutrons e formar uma estranha estrela quark, mas não intensa o suficiente para que a gravidade assuma o controle completo.

Os astrônomos não esperam encontrar muitas estrelas estranhas no universo; esses objetos têm que ser mais pesados que estrelas de nêutrons, mas mais leves que buracos negros, e não há muito espaço de agitação lá. E como não entendemos completamente a física dos strangelets, nem sabemos as massas precisas onde estrelas estranhas poderiam existir.

Mas recentemente, uma equipe de astrônomos analisou o GW190425, um evento de ondas gravitacionais desencadeado pela fusão de duas estrelas de nêutrons observada em 2019. Junto com enormes quantidades de ondas gravitacionais, estrelas de nêutrons mescladas produzem uma quilonova, uma explosão que é mais poderosa do que uma nova normal, mas mais fraca que uma supernova. Embora os astrônomos não tenham conseguido capturar um sinal eletromagnético deste evento, eles viram um semelhante em 2017 que produziu ondas gravitacionais e radiação.

Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, há algumas opções disponíveis dependendo de suas massas, seus giros e o ângulo da colisão. De acordo com cálculos teóricos, as estrelas de nêutrons poderiam se destruir, formar um buraco negro ou fazer uma estrela de nêutrons um pouco mais massiva.

E de acordo com a nova pesquisa, que foi recentemente postada no banco de dados de pré-impressão arXiv, essas colisões cósmicas podem fazer uma estranha estrela quark.

A equipe calculou que a massa do objeto deixada para trás pela fusão de 2019 estava entre 3,11 e 3,54 massas solares. Baseado na nossa melhor compreensão da estrutura das estrelas de nêutrons, isso é um pouco pesado demais, e deveria ter entrado em colapso em um buraco negro. Mas também se enquadra na faixa de massa permitida por modelos das estruturas dessas estrelas estranhas.

Ainda é muito cedo para dizer se GW190425 é nossa primeira observação de uma rara estrela de quark estranho, mas observações futuras (e trabalhos mais teóricos) podem ajudar os astrônomos a localizar uma dessas criaturas exóticas.

Fonte: Space.com