Durante décadas, os físicos teorizaram sobre a existência de matéria exótica no interior das estrelas de neutrões – restos de estrelas em colapso tão densos que a gravidade esmaga os átomos nos seus componentes fundamentais. Agora, uma nova investigação sugere que em breve poderemos confirmar a existência desta matéria, que existiu pela última vez pouco depois do Big Bang, analisando as distorções subtis nas ondas gravitacionais emitidas pela fusão de estrelas de neutrões.
A física extrema das estrelas de nêutrons
As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos do universo. Formadas quando estrelas massivas morrem em explosões de supernovas, elas agrupam a massa do nosso Sol numa esfera aproximadamente do tamanho de uma cidade. Essa densidade extrema comprime prótons e elétrons, formando nêutrons. Mas nas profundezas destes remanescentes estelares, a gravidade pode ser tão imensa que até os nêutrons se decompõem nos seus quarks e glúons constituintes, criando um estado de matéria chamado plasma de quark-glúons.
Este plasma é significativo porque é o mesmo estado da matéria que existia durante os primeiros momentos do universo, frações de segundo após o Big Bang. Encontrá-lo dentro de estrelas de nêutrons nos daria um laboratório único para estudar condições impossíveis de replicar na Terra, exceto em aceleradores de partículas.
Como as ondas gravitacionais são a chave
A chave para desvendar este mistério reside na observação de estrelas binárias de neutrões – pares destes cadáveres estelares espiralando um em direcção ao outro. À medida que orbitam mais perto, a sua intensa gravidade deforma-se mutuamente, gerando ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Os investigadores acreditam agora que estas ondas carregam uma marca oculta da estrutura interna das estrelas de neutrões.
A equipe, liderada por Nicolás Yunes, da Universidade de Illinois, e Abhishek Hegade, da Universidade de Princeton, desenvolveu uma estrutura teórica para decifrar essa marca. A ideia é que as forças de maré entre as estrelas de nêutrons causem vibrações dentro de seus núcleos, como o toque de um sino. A frequência dessas vibrações está embutida nas ondas gravitacionais.
Superando obstáculos teóricos
Um grande desafio tem sido contabilizar a energia perdida através das próprias ondas gravitacionais. A física newtoniana fornece um conjunto completo de modos vibracionais para objetos, mas a relatividade geral complica as coisas. Yunes e Hegade resolveram isso tratando cada estrela de nêutrons individualmente, calculando a influência de sua companheira como uma força externa. Eles descobriram que, ao dividir o problema em escalas menores, poderiam descrever com precisão o conjunto completo de modos vibracionais e sua impressão nas ondas gravitacionais.
“Mostramos duas coisas importantes”, disse Hegade. “Primeiro, fomos capazes de subtrair a radiação, descobrindo que os modos de uma estrela de neutrões formam de facto um conjunto completo. Em segundo lugar, descobrimos que se resolvermos consistentemente um determinado conjunto de equações utilizando um campo de marés que seja suficientemente ‘suave’, é uma solução para o interior de uma estrela, e podemos fazer todas as mesmas coisas na relatividade geral e na gravidade newtoniana.”
O futuro da pesquisa em estrelas de nêutrons
Embora este trabalho seja atualmente teórico, a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, como o proposto Cosmic Explorer e o Telescópio Einstein, poderá em breve ser suficientemente sensível para detectar estas distorções subtis. Se for bem sucedido, isto poderá abrir uma janela para a física extrema das estrelas de neutrões e fornecer um vislumbre das condições que moldaram o Universo primitivo.
Compreender o interior das estrelas de nêutrons não envolve apenas física fundamental. Ajuda-nos a refinar a nossa compreensão da gravidade, da matéria em densidades extremas e das próprias origens do nosso universo. Os próximos anos prometem ser um momento emocionante para este campo.
