Estrelas de neutrões que espiralam uma em direção à outra fornecem pistas sobre as forças que ligam as partículas subatómicas

Cientistas da Universidade de Bath descobriram uma nova maneira de estudar a estrutura interna das estrelas de neutrões, dando aos físicos nucleares uma nova ferramenta para estudar as estruturas que constituem a matéria a nível atómico.

As estrelas de neutrões são estrelas mortas que foram comprimidas pela gravidade até ao tamanho de pequenas cidades. Contêm a matéria mais extrema do Universo, o que significa que são os objetos mais densos que existem (para comparação, se a Terra fosse comprimida à densidade de uma estrela de neutrões, teria apenas algumas centenas de metros em diâmetro, e todos os humanos caberiam numa colher de chá). Isto torna as estrelas de neutrões laboratórios naturais únicos para os físicos nucleares, cuja compreensão da força que une as partículas subatómicas é limitada ao seu trabalho em núcleos atómicos na Terra. O estudo de como esta força se comporta em condições mais extremas fornece uma maneira de aprofundar o seu conhecimento.

É aqui que entram os astrofísicos, que olham para as galáxias distantes a fim de desvendar os mistérios da física.

Num estudo publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, astrofísicos da Universidade de Bath descobriram que a ação de duas estrelas de neutrões que se movem cada vez mais depressa enquanto espiralam em direção a uma violenta colisão fornece pistas da composição do material das estrelas de neutrões. Com estas informações, os físicos nucleares estarão numa posição mais forte para calcular as forças que determinam a estrutura de toda a matéria.

Ressonância

É por meio do fenómeno de ressonância que a equipa fez a sua descoberta. A ressonância ocorre quando uma força é aplicada a um objeto na sua frequência natural, gerando um grande movimento vibracional, muitas vezes catastrófico. Um exemplo bem conhecido de ressonância pode ser encontrado quando uma cantora de ópera quebra um vidro, cantando alto o suficiente a uma frequência que corresponde aos modos de oscilação do vidro.

Quando um par de estrelas de neutrões em espiral atinge um estado de ressonância, a sua crosta sólida – que se pensa ser 10 mil milhões de vezes mais forte do que o aço – estilhaça-se. Isto resulta na libertação de um surto brilhante de raios-gama que pode ser visto por satélites. As estrelas que espiralam uma em direção à outra também libertam ondas gravitacionais que podem ser detetadas por instrumentos na Terra. Os investigadores descobriram que, medindo tanto a explosão quanto o sinal da onda gravitacional, podem calcular a “energia de simetria” da estrela de neutrões.

A energia de simetria é uma das propriedades da matéria nuclear. Controla a proporção das partículas subatómicas (protões e neutrões) que compõem um núcleo e como essa proporção muda quando submetida às densidades extremas encontradas nas estrelas de neutrões. Uma leitura da energia de simetria daria, portanto, uma forte indicação da composição das estrelas de neutrões e, por extensão, dos processos pelos quais todos os protões e neutrões se juntam e das forças que determinam a estrutura de toda a matéria.

Os investigadores enfatizam que as medições obtidas pelo estudo da ressonância de estrelas de neutrões, usando uma combinação de raios-gama e ondas gravitacionais seriam complementares em vez de substituírem as experiências laboratoriais dos físicos nucleares.

“Ao estudar as estrelas de neutrões, e os movimentos cataclísmicos finais destes objetos massivos, somos capazes de entender mais sobre os minúsculos núcleos que compõem a matéria extremamente densa,” disse o Dr. David Tsang, astrofísico de Bath. “A enorme diferença de escala torna isto fascinante.”

O aluno de doutoramento Duncan Neill, que liderou a investigação, acrescentou: “Gosto que este trabalho se pareça com o que está a ser estudado por físicos nucleares. Eles olham para as partículas minúsculas e nós, astrofísicos, olhamos para objetos e eventos a muitos milhões de anos-luz de distância. Estamos a observar a mesma coisa de uma maneira completamente diferente.”

O Dr. Will Newton, astrofísico da Universidade A&M do Texas, colaborador do projeto, disse: “Embora a força que ligue quarks em neutrões e protões seja conhecida, não é bem compreendida como funciona quando um grande número de neutrões e protões se unem. A busca para melhorar este conhecimento é auxiliada por dados experimentais de física nuclear, mas todos os núcleos que analisamos na Terra têm números semelhantes de neutrões e protões unidos aproximadamente à mesma densidade.

“Nas estrelas de neutrões, a natureza fornece-nos um ambiente muito diferente para explorar a física nuclear: a matéria composta principalmente por neutrões e abrangendo uma ampla gama de densidades, até cerca de dez vezes a densidade dos núcleos atómicos. Neste artigo, mostramos como podemos medir uma certa propriedade desta matéria – a energia de simetria – a distâncias de centenas de milhões de anos-luz. Isto pode lançar luz sobre o funcionamento fundamental dos núcleos.”

// Universidade de Bath (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico (arXiv.org)

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ScienceDaily

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland