Astrofísica nuclear revisitada a partir da teoria da gravidade modificada

Abstract

O estudo de situações de equilíbrio estelar em estrelas compactas, estrelas de nêutrons e magnetares, requer o uso das equações de Tolman-Oppenheimer-Volkof (TOV), que são equações de equilíbrio hidrostático relativístico provenientes da relatividade geral (RG). A solução delas depende de equações de estado (EoSs), que estabelecem o comportamento da pressão e da densidade de energia para a matéria constituinte da estrela. As propriedades macroscópicas obtidas (massas e raios) a partir dessa solução são, por sua vez, confrontadas com as observadas pelos astrofísicos. A discrepância entre estas propriedades, obtidas a partir da RG com as medições astrofísicas, e o conhecimento ainda incompleto sobre o comportamento da gravidade nessas condições extremas relacionadas aos objetos compactos permitem o uso de teorias de gravidade modificada para descrever tais estrelas. Por essa razão, o objetivo desta tese é investigar as propriedades macroscópicas de estruturas estelares compactas e estáveis. Metodologicamente, utilizam-se EoS que descrevem tanto matéria de hádrons quanto de quarks, no contexto de algumas teorias de gravidade modificada. Nesse sentido, são apresentadas duas propostas distintas: uma teoria de gravidade modificada, a teoria Rastall-Rainbow (RR), e uma generalização da teoria da gravidade de Rastall. Essas teorias, quando aplicadas na descrição do interior estelar, geram equações funcionalmente análogas à TOV, porém, com quantidades $p$ e $\epsilon$ repassadas por quantidades efetivas $\Bar{p}$ e $\Bar{\epsilon}$. Em face disso, constata-se que modificações substanciais nos perfis massa-raio de estrelas de nêutrons são obtidas mesmo para pequenas alterações nos parâmetros livres dessas teorias modificadas. Os resultados indicam que, a utilização de gravidade modificada no estudo de estrelas compactas fornece bons resultados para as massas e raios de alguns objetos astrofísicos importantes, por exemplo, o binário de raios-X de baixa massa (LMXB) NGC 6397 e o pulsar de milissegundo PSR J0740+6620. Além disso, os resultados de raios inferidos do Lead Radius EXperiment (PREX-2) também podem ser descritos para certos valores de parâmetros.

Abstract: The study of stellar equilibrium situations in compact stars, neutron stars and magnetars, requires the use of the Tolman-Oppenheimer-Volkof (TOV) equations, which are relativistic hydrostatic equilibrium equations derived from general relativity (GR). Their solution depends on equations of state (EoSs), which establish the behavior of pressure and energy density for the star's constituent matter. The macroscopic properties obtained (masses and radii) from this solution are, in turn, compared with those observed by astrophysicists. The discrepancy between these properties, obtained from GR with astrophysical measurements, and the still incomplete knowledge about the behavior of gravity in these extreme conditions related to compact objects allow the use of modified gravity theories to describe such stars. For this reason, the aim of this thesis is to investigate the macroscopic properties of compact and stable stellar structures. Methodologically, EoS are used that describe both hadron and quark matter, in the context of some theories of modified gravity. In this sense, two distinct proposals are presented: a modified theory of gravity, the Rastall-Rainbow (RR) theory, and a generalization of Rastall's theory of gravity. These theories, when applied to the description of the stellar interior, generate equations functionally analogous to TOV, however, with quantities $p$ and $\epsilon$ passed on by effective quantities $\Bar{p}$ and $\Bar{\epsilon}$. Because of this, it appears that substantial changes in the mass-radius profiles of neutron stars are obtained even for small changes in the free parameters of these modified theories. The results indicate that the use of modified gravity in the study of compact stars provides good results for the masses and radii of some important astrophysical objects, for example, the low-mass X-ray binary (LMXB) NGC 6397 and the pulsar of millisecond PSR J0740+6620. In addition, radii results inferred from the Lead Radius EXperiment (PREX-2) can also be described for certain parameter values.