Análise da estrutura das estrelas de nêutrons e sua relação com o espaço de fase da cromodinâmica quântica

Abstract

Estrelas de nêutrons (NSs) fazem parte do grupo de objetos mais extremos que existem no universo. Com a recente observação de ondas gravitacionais provenientes da colisão entre duas estrelas de nêutrons (evento GW170817), pelos projetos LIGO e VIRGO, assim como a confirmação de estrelas de nêutrons de M > 2M como o pulsar PSR J0740+6620 observado pelo telescópio NICER, o estudo das equações de estado para a matéria nuclear fria e extremamente densa, encontrada apenas em estrelas de nêutrons, se tornou uma área de crescente interesse. Este trabalho se propõe a estudar e revisar a física básica de estrelas de nêutrons, com ênfase na análise de equações de estado e a relação destas com as propriedades macroscópicas das estrelas resultantes das soluções das equações Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Vale ressaltar que todos os resultados deste trabalho são extraídos da literatura recente, com o propósito de ilustrar e possibilitar uma melhor visualização das soluções para cada equação de estado. Inicialmente, o modelo simples de uma estrela de nêutrons constituída por um gás de Fermi de nêutrons é revisado em detalhes, com posterior adição de prótons e elétrons no sistema de forma a garantir o equilíbrio em relação à interação fraca. São derivadas equações de estado para os dois modelos, a partir das quais é possível esti- mar as propriedades macroscópicas das estrelas. Para os modelos não-interagentes, é obtido o limite para a massa máxima de NSs Mmax ~ 0,7M . Posteriormente, um modelo empírico para a interação entre núcleons é utilizado para modelar uma estrela de nêutrons composta por matéria nuclear interagente. A derivação da equação de estado é baseada em resultados didáticos retirados da literatura. Observa-se que o limite de massa Mmax aumenta consideravelmente, sendo obtido Mmax ~ 2,7M para a EoS da matéria interagente. Aspectos de modelos fenomenológicos para a matéria nuclear densa são comentados na Seção 3.2, dando ênfase ao fato de que diferentes modelos estimam valores diferentes para as propriedades da matéria nuclear a altas densidades, visto a falta de vínculos para a região nB > 1, 1n0. A aparição de graus de liberdade estranhos na composição de NSs é comentada, observando que a presença de híperons diminui o valor de massa máximo. Na Seção 4.1 o trabalho revisa um modelo para a matéria de quarks desconfinados, o modelo de sacola do M.I.T., que tem o objetivo de descrever a matéria de quarks não- interagentes. Este modelo é útil pois permite uma abordagem simples para uma fase possível de ser encontrada no núcleo de estrelas de nêutrons extremamente densas. Por fim, são analisados alguns conceitos referentes a métodos de interpolação de equa- ções de estado para a região de densidades da estrela onde as incertezas são maiores, com particular interesse no resultado recente de (ANNALA et al., 2020), que sugere um vínculo entre a velocidade do som cs da equação de estado de NSs e a presença de matéria de quarks desconfinados em seus núcleos.