Estudar estrelas de nêutrons é complicado. A mais próxima está a cerca de 400 anos-luz de distância, portanto o envio de uma sonda provavelmente levaria meio milhão de anos com a atual tecnologia de navegação espacial. Os telescópios não revelam muitos detalhes do nosso ponto de vista, uma vez que as estrelas de nêutrons têm apenas o tamanho de uma pequena cidade e, portanto, aparecem como meros pontos no céu. E nenhum laboratório na Terra consegue reproduzir o inside das estrelas de nêutrons, porque sua densidade é muito grande, sendo várias vezes maior que a dos núcleos atômicos. Essa alta densidade também representa um problema para a teoria, já que as equações para a matéria das estrelas de nêutrons não podem ser resolvidas com técnicas computacionais padrão. Mas estas dificuldades não impediram os esforços para compreender estes objetos misteriosos. Usando uma combinação de métodos baseados em teoria e simulações de computador, Ryan Abbott do MIT e colegas obtiveram restrições novas e rigorosas para as propriedades do inside das estrelas de nêutrons (1). Os seus resultados sugerem um limite superior relativamente elevado na velocidade do som dentro destes objetos compactos, o que pode significar que as estrelas de neutrões podem crescer mais massivas do que se pensava anteriormente.
As propriedades internas de uma estrela de nêutrons – como pressão e densidade – são governadas pelas equações da cromodinâmica quântica (QCD), que descreve a força forte que atua sobre prótons, nêutrons e seus quarks constituintes. Então, se as equações são conhecidas, por que é tão difícil resolvê-las no caso das estrelas de nêutrons? O problema decorre do fato de que nossa ferramenta de cálculo preferida é a teoria das perturbações, na qual expandimos as equações em termos de um pequeno parâmetro (permitindo que termos de ordem superior sejam ignorados). Para a matéria de estrelas de nêutrons, a teoria da perturbação é uma estratégia viável em certas regiões: na atmosfera externa e na crosta superior, onde a densidade é relativamente pequena (2), e no núcleo das estrelas de nêutrons mais massivas, onde o parâmetro de acoplamento QCD é pequeno (3). Mas na maior parte das estrelas de nêutrons, onde a densidade está entre esses dois extremos, a teoria da perturbação falha. (Os pesquisadores podem interpolar entre densidades baixas e altas, mas os resultados são imprecisos (4).)
Felizmente, os físicos têm outra ferramenta à sua disposição: a rede QCD. Este método numérico trata as interações de quarks e glúons em uma rede espaço-temporal discretizada, o que torna o QCD passível de ser simulado em um computador. Em pequenas densidades, a QCD pode ser resolvida diretamente com este método, mas a QCD da rede se quebra nas densidades de interesse da estrela de nêutrons. Existe uma maneira inteligente, entretanto, de traçar uma caixa em torno desse problema. Envolve o uso de isospin – um tipo de carga nuclear que trata os prótons como positivos e os nêutrons como negativos. A maior parte da matéria nuclear tem números aproximadamente iguais de prótons e nêutrons, então a densidade de isospin é próxima de zero. Mas pode-se imaginar um estado da matéria com grande (ou “diferente de zero”) densidade de isospin, no qual os prótons superam em muito o número de nêutrons. Trabalhos anteriores mostraram que a pressão da matéria nuclear – em qualquer densidade – deve ser menor do que a pressão da matéria nuclear em densidade de isospin diferente de zero (5, 6).
Abbott e seus colegas usaram esse limite superior de pressão para “perfurar” as regiões de alta densidade de uma estrela de nêutrons e recuperar resultados rigorosos (1). A equipe realizou extensas simulações numéricas de QCD em rede para densidade de isospin diferente de zero simultaneamente em vários dos supercomputadores mais poderosos. Mesmo com tanto poder de computação, uma solução direta para a equação de estado da matéria nuclear isospin não foi possível, porque a rede QCD assume um espaço-tempo discreto, enquanto o “mundo actual” é contínuo. Para obter resultados sistematicamente controlados, o grupo realizou uma extrapolação cuidadosa de suas simulações computacionais para o “limite contínuo” do espaçamento de rede cada vez menor, o que nunca havia sido feito antes para matéria nuclear isospin diferente de zero.
Com os cálculos de isospin diferentes de zero em mãos, Abbott e seus colegas conseguiram obter vários novos resultados importantes sobre as propriedades da matéria de densidade extrema. Primeiro, eles mostraram que a matéria nuclear com alta densidade de isospin é um tipo de materials supercondutor e determinaram sua lacuna supercondutora – um parâmetro que caracteriza a energia potencial do sistema. Para este cálculo de lacuna, eles pegaram a diferença entre a pressão calculada e a pressão conhecida para matéria não supercondutora (4), chegando a um valor que concorda com (mas é mais preciso que) o valor que outros obtiveram usando cálculos analíticos (7).
Em segundo lugar, os investigadores demonstraram inequivocamente que a velocidade do som na matéria nuclear isospin diferente de zero excede um limite de velocidade conhecido como limite conforme (8), mas permanece abaixo de um limite de velocidade proposto mais recentemente (9). Este resultado tem implicações para a massa máxima que uma estrela de neutrões pode ter antes de colapsar num buraco negro sob o seu próprio peso. Esta massa máxima é limitada pela velocidade máxima do som na matéria nuclear, portanto, violar o limite conforme – como Abbott e colegas mostraram – significa que as estrelas de nêutrons podem concebivelmente crescer mais do que o limite de 2 massas solares que foi anteriormente derivado no com base no limite conforme.
Finalmente, usando as relações rigorosas entre a pressão dentro das estrelas de nêutrons e a matéria nuclear isospin diferente de zero (5, 6), os pesquisadores conseguiram estabelecer limites rigorosos para as propriedades da matéria dentro das estrelas de nêutrons. A importância desses limites é difícil de exagerar. Ter resultados rigorosos e precisos disponíveis para matéria nuclear isospin diferente de zero fornece um banco de testes altamente não trivial para uma grande variedade de modelos e métodos de aproximação. Os modeladores continuam a apresentar novas propostas sobre como aproximar a matéria dentro das estrelas de nêutrons, e agora podem verificar os seus modelos em relação a esses limites.
Esta abordagem não se limita à matéria nuclear isospin diferente de zero. Já existem propostas para usar outros tipos de cálculos de QCD em rede para aprofundar ainda mais as propriedades das estrelas de nêutrons (10). Assim, os resultados de Abbott e colegas abriram as portas para todo um novo subcampo de estudos computacionais da matéria das estrelas de nêutrons. Outras extensões deste trabalho prometem dar-nos restrições sobre propriedades mais refinadas da matéria nuclear, tais como viscosidades e condutividades, que são relevantes para a compreensão da rotação e do arrefecimento das estrelas de neutrões. Quando esta imagem mais completa chegar, a rede QCD será capaz de interpretar diretamente e possivelmente prever observações astrofísicas. O futuro da exploração de estrelas de nêutrons com computadores parece realmente brilhante.
Referências
R. Abbott e outros. (Colaboração NPLQCD), “Restrições de QCD na matéria densa em isospin e na equação de estado nuclear,” Física. Rev.134011903 (2025).
TD Cohen, “Desigualdades QCD para a massa do núcleon e a energia livre da matéria bariônica,” Física. Rev.91032002 (2003).
Y. Fujimoto e S. Reddy, “Limites na equação de estado das desigualdades QCD e QCD reticulado,” Física. Rev.109014020 (2024).
Y. Fujimoto, “Contribuição aprimorada da lacuna de emparelhamento para a equação de estado QCD em grande potencial químico de isospin,” Física. Rev.109054035 (2024).
Paul Romatschke obteve seu doutorado pela Universidade Técnica de Viena e atualmente é professor do Departamento de Física da Universidade do Colorado em Boulder. Seus interesses de pesquisa em física teórica abrangem uma ampla gama de tópicos em física nuclear, gases quânticos frios, dinâmica de fluidos relativística e física de partículas. Ele publicou um livro sobre dinâmica de fluidos relativística moderna e atualmente está trabalhando em um concorrente do mecanismo de Higgs sem quebra de simetria.
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