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A física dos núcleos massivos pode ser estudada medindo-se a 'nota' na qual a ressonância da maré entre as estrelas de nêutrons em fusão causa a quebra da crosta sólida das estrelas de nêutrons. Crédito: University of Bath

Cientistas espaciais da Universidade de Bath, no Reino Unido, descobriram uma nova maneira de sondar a estrutura interna das estrelas de nêutrons, dando aos físicos nucleares uma nova ferramenta para estudar as estruturas que constituem a matéria em nível atômico.

Estrelas de nêutrons são estrelas mortas que foram comprimidas pela gravidade até o tamanho de pequenas cidades. Elas contêm a matéria mais extrema do universo, o que significa que são os objetos mais densos que existem (em comparação, se a Terra fosse comprimida à densidade de uma estrela de nêutrons, teria apenas algumas centenas de metros de diâmetro, e todos os humanos caberiam em uma colher de chá). Isso torna as estrelas de nêutrons laboratórios naturais únicos para físicos nucleares, cuja compreensão da força que une as partículas subatômicas é limitada ao seu trabalho em núcleos atômicos ligados à Terra. Estudar como essa força se comporta em condições mais extremas oferece uma maneira de aprofundar seu conhecimento.

Entre os astrofísicos, que olham para galáxias distantes para desvendar os mistérios da física.

Em um estudo descrito nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, os astrofísicos de Bath descobriram que a ação de duas estrelas de nêutrons movendo-se cada vez mais rápido enquanto espiralam em direção a uma colisão violenta dá uma pista para a composição do material da estrela de nêutrons. A partir dessas informações, os físicos nucleares estarão em uma posição mais forte para calcular as forças que determinam a estrutura de toda a matéria.

Ressonância

Foi por meio do fenômeno da ressonância que a equipe de Bath fez sua descoberta. A ressonância ocorre quando a força é aplicada a um objeto em sua frequência natural, gerando um grande movimento vibracional, muitas vezes catastrófico. Um exemplo bem conhecido de ressonância é encontrado quando um cantor de ópera quebra um vidro cantando alto o suficiente em uma frequência que corresponde aos modos de oscilação do vidro.

Quando um par de estrelas de nêutrons em espiral atinge um estado de ressonância, sua crosta sólida que se acredita ser 10 bilhões de vezes mais forte do que o aço se estilhaça. Isso resulta na liberação de uma explosão brilhante de raios gama (chamada de Clarão de Estilhaçamento Ressonante) que pode ser vista por satélites. As estrelas em espiral também liberam ondas gravitacionais que podem ser detectadas por instrumentos na Terra. Os pesquisadores de Bath descobriram que, medindo tanto a explosão quanto o sinal da onda gravitacional, eles podem calcular a "energia de simetria" da estrela de nêutrons.

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

Os pesquisadores enfatizam que as medições obtidas pelo estudo da ressonância de estrelas de nêutrons usando uma combinação de raios gama e ondas gravitacionais seriam complementares, em vez de uma substituição para os experimentos de laboratório dos físicos nucleares.

"Ao estudar estrelas de nêutrons e os movimentos cataclísmicos finais desses objetos massivos, somos capazes de entender algo sobre os minúsculos núcleos que constituem a matéria extremamente densa", disse o astrofísico de Bath, Dr. David Tsang. "A enorme diferença de escala torna isso fascinante."

Estudante de astrofísica e PhD Duncan Neill, que liderou a pesquisa, acrescentou: "Gosto que este trabalho olhe para a mesma coisa que está sendo estudada por físicos nucleares. Eles olham para partículas minúsculas e nós, astrofísicos, olhamos para objetos e eventos a muitos milhões de anos-luz de distância. Nós estamos olhando para a mesma coisa de uma maneira completamente diferente."

O Dr. Will Newton, astrofísico da Texas A&M University-Commerce e colaborador do projeto, disse: "Embora a força que liga os quarks aos nêutrons e prótons seja conhecida, como isso realmente funciona quando um grande número de nêutrons e prótons se juntam não é bem compreendida. A busca para melhorar esse entendimento é auxiliada por dados experimentais de física nuclear, mas todos os núcleos que sondamos na Terra têm números semelhantes de nêutrons e prótons unidos em aproximadamente a mesma densidade.

"Em estrelas de nêutrons, a natureza nos fornece um ambiente muito diferente para explorar a física nuclear: matéria composta principalmente de nêutrons e abrangendo uma ampla gama de densidades, até cerca de dez vezes a densidade dos núcleos atômicos. Neste artigo, mostramos como nós pode medir uma certa propriedade desta matéria, a energia de simetria a distâncias de centenas de milhões de anos-luz de distância. Isso pode lançar luz sobre o funcionamento fundamental dos núcleos."

Mais informações: Duncan Neill et al, Resonant Shattering Flares as Multimessenger Probes of the Nuclear Symmetry Energy, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093 / mnras / stab764

Informações do jornal: Avisos mensais da Royal Astronomical Society   

Fonte: Phys