Física: a matéria escura pode ser o gatilho

Física: a matéria escura pode ser o gatilho na formação de estrelas estranhas de quark?

Diagrama compara o tamanho e composição de uma estrela de nêutrons com os de uma 'estrela estranha'. Crédito: CXC/M Weiss

A energia necessária para converter uma estrela de nêutrons em um objeto que é conhecido como uma ‘estrela estranha’ ou ‘estrela estranha de quarks’, pode vir da aniquilação de partículas de matéria escura. Esta foi uma conclusão a que chegou um novo estudo de físicos da Espanha, Reino Unido e EUA, o qual propõe que o mecanismo de conversão pode ser uma boa maneira de definir um limite inferior para a massa das partículas massivas que interagem fracamente com a matéria (os WIMPs). Os WIMPs são um dos elementos considerados como candidatos a compor a matéria escura.

Depois de ter consumido seu combustível nuclear, as estrelas abaixo de certa massa crítica entram em colapso para formar objetos denominados ‘estrelas de nêutrons’. Esses objetos incrivelmente densos são compostos quase que inteiramente de nêutrons, originados do colapso gravitacional em que os prótons e elétrons da estrela moribunda diretamente se fundiram, formando nêutrons. Tem sido proposto, no entanto, que existindo alguma fonte externa de energia adicional, as estrelas de nêutrons podem se tornar ‘estrelas estranhas’, objetos ultra densos que contem a matéria estranha, ou melhor, uma sopa de quarks para cima (up quark ou u quark), para baixo (down quark ou d quark) e estranho (s strange quark ou s quark), desvinculados.

Representação de um nêutron que é composto de 3 quarks (um 'up quark' e dois 'down quark') em equilíbrio. A força forte é mediada pelos glúons (ondas em branco). A força forte tem 3 sabores (ou 'cor de carga': azul, vermelho e verde). Os sabores oscilam circulando entre os quarks, ou seja, a cor azul não está vinculada necessariamente ao 'up quark', como mostrado neste diagrama.

Estrela de quarks?

A idéia é que com a adição desta energia para um volume limitado da estrela de nêutrons, se liberam os quarks up e down confinados dentro dos nêutrons. Alguns destes quarks se converterão naturalmente em quarks estranhos, produzindo uma região conhecida de matéria estranha conhecida como strangelet. Se, de acordo com a teoria quântica, a matéria estranha é realmente mais estável do que a matéria nuclear normal, os strangelets vão requerem menor energia para existir. Assim, como uma reação em cadeira, a energia excedente gerada pela conversão da matéria normal em mais quarks up e down que por sua vez levariam a criação de mais strangelets em um processo auto-alimentado.

Este fenômeno consiste em um ‘processo térmico descontrolado’ ou uma ‘reação em cadeia’ (thermal runaway process) capaz de converter integralmente uma estrela de nêutrons em matéria estranha em cerca de um segundo ou menos. “Uma estrela de nêutrons é um objeto metaestável, como uma pessoa na borda de um precipício”, disse Joseph Silk, da Universidade de Oxford, que esteve envolvido diretamente na pesquisa. “Da mesma forma que um pequeno empurrão pode expulsar a pessoa da borda e enviá-la em queda precipício abaixo é preciso relativamente pouca energia para transformar uma estrela de nêutrons em uma estrela estranha” (uma estrela de strangelets).

A teoria prevê que estruturas competitivas e fases da matéria subatômica se apresentam nos núcleos de estrelas de nêutrons com raio < 8 km. Crédito: Fridolin Weber (San Diego State University) 2008

A matéria estranha realmente existe?

Embora ainda não haja provas claras de que corpos estranhos realmente existem, as observações de explosões de raios gama ultra-brilhantes, mas muito curtas, no Universo, sugerem a existência de estrelas estranhas. Os pesquisadores argumentaram que a enorme energia necessária para produzir uma explosão de raios gama poderia ter sido originada na formação de um buraco negro, mas o grande número de partículas de matéria convencional nas vizinhanças do buraco negro iria absorver grande parte desta energia. Por outro lado, a conversão de uma estrela de nêutrons em uma estrela estranha, no entanto, poderia fornecer a energia necessária, mas sem a matéria circundante para absorvê-la.

No entanto, resta-nos a pergunta: de onde é que a estrela de nêutrons obtém esta faísca inicial de energia. Alguns especialistas têm sugerido que a ignição simplesmente vem da energia do colapso, ou colisão dos raios cósmicos de alta energia com a estrela. Silk, no entanto, observou que o primeiro mecanismo exige que a estrela de nêutron tenha uma massa mínima e que o segundo mecanismo é problemático, porque, segundo ele, seria improvável para despejar esta energia de ignição no centro das estrelas, local onde seria necessária para iniciar a reação em cadeia.

Em vez disso, Joseph Silk, M. Angeles Perez-Garcia, da Universidade de Salamanca e Jirina R. Stone da Universidade do Tennessee, calcularam que o processo de aniquilação de WIMPs, que podem se acumular no centro de estrelas, poderia fornecer essa energia necessária para a reação. Se confirmado, o mecanismo poderia fornecer um novo limite inferior e independente para a estimativa da massa de um WIMP. Isso seria estimado cerca de 4 GeV (4 giga elétron-volts), metade da energia mínima que o trio calculou como necessário para iniciar a conversão da estrela de nêutrons segundo o processo sugerido (com cada WIMP fornecendo metade da massa-energia em cada colisão).

Uma nova maneira de se encontrar WIMPs?

Com os detectores de matéria terrestres capazes de atingir os 50 GeV, Silk disse que esta nova abordagem poderia proporcionar um complemento útil para os experimentos em curso. Silk indica que a teoria não favorece a estimativa da massa do WIMP entre 4 e 50 GeV, mas um valor de cerca de 10 GeV tem sido sugerido pelos resultados recentes e controversos dos detectores terrestres.

A equipe sustentou que duas linhas de observação poderiam apoiar sua tese e, portanto, ajudar a estabelecer um novo limite para a massa dos WIMPs. Uma das linhas de detecção implicar em medir a massa e o raio de uma estrela estranha candidata, obtidos através do estudo da radiação dos pulsares, e comparar estes valores com as previsões feitas pelo modelo proposto e também pelos modelos alternativos. Os testes também poderiam ser alcançados através da criação e medição strangelets tanto no RHIC, nos Estados Unidos, quanto no LHC do CERN, em Genebra.

Paolo Gondolo, da Universidade de Utah, nos Estados Unidos acredita que o mecanismo é plausível, mas levanta dúvidas se o mesmo pode ser usado na busca pela matéria escura. “Mesmo se você detectar uma estrela estranha pode ser difícil decidir se ela se formou efetivamente pela aniquilação de matéria escura”, disse ele.

Um cauteloso suporte para este mecanismo da matéria escura veio também da parte de Dejan Stojkovic, Universidade Estadual de Nova York, em Buffalo, que concordou, afirmando que este processo “pode ocorrer na natureza.” Mas Dejan ressalta que a estabilidade da ‘estrela estranha’ neste cenário deve ser investigada. “Se a aniquilação das partículas de matéria escura (WIMPs) for excessivamente rápida ou lenta demais, a estrela pode jamais atingir um equilíbrio termodinâmico”, disse ele.

O trabalho pode ser consultado em Phys. Rev. Lett. 105 141101 ou em ArXiv.org no título [1007.1421] Dark matter, neutron stars and strange quark matter.