Internacional - Cientistas da Universidade de Coimbra recorrem a machine learning e reduzem em sete vezes o tempo de cálculo das estrelas de neutrões

As estrelas de neutrões são um dos objetos mais densos do Universo. Podem ser vistas como núcleos gigantes muito ricos em neutrões, mas a sua verdadeira composição ainda é uma incógnita: será que no seu interior os quarks estão desconfinados? Será que na sua composição além de protões e neutrões também existem hiperões, partículas parecidas aos nucleões, mas contendo um quark estranho?

 

Explorando o potencial do método de regressão simbólica, uma ferramenta no âmbito de técnicas de machine learning, que fornece relações algébricas entre diferentes propriedades, uma equipa de cientistas do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) obteve uma relação entre a massa máxima de uma estrela de neutrões e a sua equação de estado. 

Esta relação, descrita na revista científica Physics Letters B, reduz os cálculos computacionais por um fator de sete, numa das etapas essenciais da procura de modelos compatíveis com as observações. O cálculo utiliza a inferência de Bayes, que pode ser muito demorada, uma vez que é necessário resolver as equações diferenciais que determinam a massa e o raio da estrela para vários milhões de modelos. 

«Com os atuais dados experimentais e observacionais disponíveis e os dados que serão recolhidos nas próximas décadas, espera-se que a composição destes objetos seja finalmente desvendada», afirma Constança Providência, investigadora do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC) e professora da FCTUC. «Extrair das observações astronómicas as propriedades da matéria que interage pela força forte, como a matéria nuclear, a altas densidades, é, no entanto, outro desafio», considera.  

As utilizações de métodos estatísticos revelam-se essenciais para o sucesso deste problema. No entanto, de acordo com os especialistas, determinar o modo como a matéria sujeita a densidades e pressões extremamente elevadas se comporta dentro destes objetos - isto é, qual é a sua equação de estado, partindo do conhecimento da massa e raio das estrelas de neutrões, é um problema complicado que exige muitas horas de cálculo, pela quantidade de modelos que têm de ser testados. 

«Num futuro próximo, esperamos que seja possível descodificar a equação de estado da matéria densa diretamente a partir do conhecimento preciso dos observáveis das estrelas de neutrões, utilizando estas técnicas computacionais avançadas, o que nos permitirá desvendar as propriedades da matéria bariónica a altas densidades. Assim, será possível saber a que densidades os quarks deixam de estar confinados aos nucleões e se a transição de fase para a matéria desconfinada é uma transição de primeira ordem», concluem os investigadores envolvidos.

O artigo científico “Inferring the equation of state from neutron star observables via machine learning” é uma colaboração conjunta entre os investigadores Tuhin Malik, Helena Pais e Constança Providência do CFisUC, juntamente com investigadores na China e na Índia. Universidade de Coimbra – Portugal

Internacional - Astrofísico da Universidade de Coimbra participa em descoberta de exoplaneta numa órbita perpendicular em torno de um par de estrelas

Um grupo de cientistas internacional descobriu um planeta cuja órbita faz um ângulo de 90º em torno de um par de estrelas peculiares. É a primeira vez que surgem fortes indícios de um destes “planetas polares” a orbitar duas estrelas em simultâneo. A descoberta foi possível com o auxílio do Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul (ESO).

Nos últimos anos, foram descobertos vários planetas a orbitar duas estrelas, intitulados planetas circumbinários. Em geral, estes planetas viajam em órbitas que se encontram aproximadamente no mesmo plano da órbita das estrelas hospedeiras em torno uma da outra (órbitas coplanares).

Havia já, no entanto, indícios anteriores de que poderiam existir planetas em órbitas perpendiculares, ou polares, em torno de estrelas binárias: em teoria, estas órbitas são estáveis e foram detetados discos de formação planetária em órbitas polares em torno de pares de estrelas. Contudo, até agora, não havia provas claras de que estes planetas polares existiam de facto.

«Estou verdadeiramente entusiasmado por estar envolvido na deteção de indícios credíveis que apontam para a existência desta configuração», diz Thomas Baycroft, estudante de doutoramento na Universidade de Birmingham, Reino Unido, que liderou o estudo publicado na revista Science Advances.

O exoplaneta, denominado 2M1510 (AB) b, orbita um binário de anãs castanhas jovens — objetos maiores que planetas gigantes gasosos, mas que são estrelas “falhadas”, ou seja, demasiado pequenas para permitir a fusão do hidrogénio em hélio. As duas anãs castanhas eclipsam-se uma à outra quando observadas a partir da Terra, constituindo aquilo a que os cientistas chamam “um binário eclipsante”. 

Este sistema é bastante raro. Para além de ser apenas o segundo par de anãs castanhas eclipsantes conhecido até à data, os especialistas descobriram agora que acolhe também o primeiro exoplaneta jamais encontrado numa trajetória perpendicular à órbita das suas duas estrelas hospedeiras. 

«Em geral, órbitas polares levam ao aumento da excentricidade e culminam em colisões entre os corpos. No entanto, quando a órbita se efetua em torno de um binário de estrelas, como é este caso, ela pode manter-se dinamicamente estável», comenta Alexandre Correia, professor no Departamento de Física da FCTUC e investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC). «A grande surpresa é como o planeta evoluiu para uma órbita deste tipo, pois a maioria das teorias de formação planetária preveem apenas órbitas coplanares», acrescenta, o também coautor do estudo. 

A equipa encontrou este planeta quando refinava os parâmetros orbitais e físicos das duas anãs castanhas a partir de observações levadas a cabo com o instrumento UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) montado no VLT do ESO, no Observatório do Paranal, no Chile. Este par de anãs castanhas, conhecido por 2M1510, foi detectado pela primeira vez em 2018 por Amaury Triaud e outros investigadores, que utilizaram o SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars), outra instalação do Paranal.

Os cientistas observaram a trajetória orbital das duas estrelas do 2M1510 a ser “empurrada” de forma invulgar, o que os levou a inferir a existência de um exoplaneta com este estranho ângulo orbital. «Revimos todos os cenários possíveis e o único consistente com os dados obtidos corresponde à existência de um planeta numa órbita polar em torno deste binário», revelam os especialistas. 

«Esta descoberta foi realmente inesperada, pois as nossas observações não foram recolhidas para procurar um planeta ou configuração orbital deste tipo. Como tal, foi de facto uma grande surpresa», concluem.  Universidade de Coimbra - Portugal

Europa - Astrofísica portuguesa nomeada para comité científico e técnico de observatório europeu

Sónia Antón, professora do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e investigadora do Centro de Física de Coimbra (CFisUC), foi nomeada membro do Science and Technical Committee (STC) do European Southern Observatory (ESO), representando Portugal neste comité consultivo. A nomeação, que vigorará do próximo dia 1 de abril a dezembro de 2027, foi aprovada por unanimidade pelo Conselho do ESO. 

O STC tem um papel essencial na assessoria ao Conselho do ESO e ao Diretor-Geral em matéria de estratégia e operacionalidade da instituição. Entre as suas principais responsabilidades, incluem-se a definição de prioridades científicas para projetos e programas, bem como recomendações sobre a construção e modernização de instrumentação e telescópios. O comité também atua como elo entre o ESO e a comunidade científica dos seus Estados Membros, promovendo informação sobre os objetivos estratégicos da organização.

A seleção da professora Sónia Antón surge na sequência de um processo rigoroso. Cada Estado Membro do ESO propõe três candidatos, escolhidos através de um pedido nacional de manifestação de interesse e validação pelos seus delegados nacionais.  «Embora a razão exata da escolha não tenha sido comunicada, acredito que a expertise em astrofísica extragalática, a experiência na utilização de diversos tipos de telescópios e a participação no desenvolvimento de instrumentação para o espaço tenham sido fatores determinantes.  Esta nomeação representa um reconhecimento do meu percurso e contributo para a comunidade académica e científica», considera Sónia Antón. 

O STC integra um representante de cada Estado Membro do ESO, um representante do Chile e até seis membros independentes, incluindo especialistas de países não-membros. Conta ainda com subcomités especializados, compostos por peritos em áreas específicas, que fornecem recomendações técnicas sobre as infraestruturas do ESO, como La Silla-Paranal, ALMA e o futuro E-ELT. 

Esta nomeação também poderá trazer benefícios para a Universidade de Coimbra, especialmente para o Departamento de Física da FCTUC, onde se leciona o Mestrado em Astrofísica e Instrumentação para o Espaço. «Esta participação no STC fomenta a identificação de oportunidades para a Universidade, seja no âmbito de projetos científicos internacionais e estágios para estudantes, como também no desenvolvimento de novos instrumentos, na modernização de tecnologia existente e, em suma, na inovação em instrumentação para o espaço», acredita a docente. 

Para a cientista, a motivação para integrar o STC prende-se com a oportunidade de contribuir para a visão estratégica do ESO e antecipar os desafios da astronomia nas próximas décadas. «É absolutamente aliciante estar na linha da frente das decisões que orientam a construção e evolução dos observatórios mais avançados do mundo», afirma.

A nomeação da professora Sónia Antón reforça, assim, a presença e influência da Astrofísica portuguesa nos grandes projetos internacionais e evidencia o contributo de Portugal para a investigação científica no âmbito do ESO. Universidade de Coimbra - Portugal

Portugal - Cientistas da Universidade de Coimbra contribuem para o estudo da matéria nuclear na fusão de estrelas de neutrões

Uma equipa de investigadores do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), em colaboração com o laboratório GANIL, em França, conseguiu identificar as propriedades de matéria não homogénea semelhante à que também se forma em supernovas ou na fusão de estrelas de neutrões: matéria nuclear pouco densa composta por protões, neutrões e núcleos leves, como os isótopos de hidrogénio e hélio.

O conhecimento da equação de estado da matéria nuclear em condições extremas de temperatura, densidade e fração de protões é essencial para interpretar observações de estrelas de neutrões, explosões de supernova ou fusão de estrelas de neutrões. Contudo, recriar estas condições em laboratório nem sempre é viável.

Recorrendo a uma abordagem inovadora para a análise de dados das partículas resultantes da colisão de iões pesados de xenon com estanho a energias intermédias, medidas com o detetor INDRA@GANIL, Tiago Custódio, aluno de doutoramento da FCTUC, descreveu as abundâncias das mesmas sem pressupor previamente a densidade do sistema. Para tal, utilizou o modelo teórico desenvolvido por Constança Providência e Helena Pais, investigadoras do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC). 

«Analisamos treze bins de velocidade, que representam partículas que se desacoplam da fonte quente em tempos distintos. Em cada bin, a temperatura e a densidade foram determinadas através de uma análise Bayesiana completa, desenvolvida pelo estudante, em colaboração com Tuhin Malik, investigador do CFisUC», explica Constança Providência, professora da FCTUC. 

A análise baseou-se num modelo térmico microscópico, fundamentado na teoria relativista de campo médio para matéria nuclear, considerando os efeitos do meio, essenciais para uma descrição precisa da matéria. «Os resultados revelaram uma excelente correspondência com os dados experimentais através de dois modelos nucleares distintos. Os conjuntos estatísticos evidenciaram uma curva de arrefecimento a uma densidade quase constante, interpretada como uma densidade de congelamento abaixo da qual as partículas deixam de interagir nuclearmente», revela Tiago Custódio.

Como esclarecem os especialistas, as análises anteriores assumiam sempre um gás ideal ou um gás ideal modificado de nucleões livres e núcleos leves para estimar a densidade do sistema, tornando a densidade associada a cada bin uma consequência direta dessa hipótese inicial. No entanto, «os resultados obtidos permitem construir uma equação de estado realista, que inclui uma descrição precisa dos núcleos leves em matéria nuclear de baixa densidade», afirmam. 

«Estas equações de estado são um contributo fundamental para simulações mais realistas da fusão de estrelas de neutrões, trazendo novos avanços ao estudo da astrofísica nuclear», conclui a equipa.

O artigo científico “Calibrating the Medium Effects of Light Clusters in Heavy-Ion Collisions”, que mostra os resultados obtidos, está publicado na revista Physical Review Letters. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Cientista da Universidade de Coimbra participa na descoberta da “cordilheira neptuniana”

Um grupo de cientistas internacionais, do qual faz parte Alexandre Correia, investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC), descobriu a “cordilheira neptuniana”, uma nova estrutura na distribuição de exoplanetas do tipo de Neptuno.

Esta descoberta, publicada na revista Astronomy & Astrophysics, revela os processos complexos que ocorrem no “deserto Neptuniano” – uma região próxima das estrelas com escassez de exoplanetas semelhantes a Neptuno – e na “savana Neptuniana” – região mais distante onde estes planetas são encontrados com frequência.

«O novo estudo centra-se na transição entre o deserto neptuniano e a savana. Encontrámos uma concentração inesperada de planetas na fronteira do deserto, que forma uma linha divisória acentuada entre ambos os regimes, uma característica à qual apelidámos cordilheira neptuniana», revela Alexandre Correia, também Professor no Departamento de Física (DF) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e coautor do estudo.

«Descobrimos que um grande número de planetas neptunianos orbita as suas estrelas com períodos orbitais entre 3 e 6 dias. A probabilidade de encontrar um planeta nesta região é cerca de oito vezes maior de os encontrar a mais curtas distâncias (no deserto) e cerca de três vezes superior de os encontrar em distâncias mais longas (na savana), o que sugere que estes planetas foram sujeitos a processos evolutivos diferentes», explica Amadeo Castro-González, investigador do Centro de Astrobiologia (CAB), INTA-CSIC, e autor principal deste estudo.

Esta descoberta foi possível através da análise dos dados da missão Kepler da NASA, utilizando técnicas estatísticas avançadas. Os investigadores mapearam meticulosamente a relação entre o raio e o período destes exoplanetas, revelando regiões distintas que definem a nova paisagem neptuniana. Este mapeamento exaustivo revela os processos complexos envolvidos na migração e evaporação atmosférica destes planetas.

Os autores interpretaram os resultados no contexto das teorias de formação e evolução planetária e concluem que a acumulação de planetas na cordilheira neptuniana pode ser compreendida através da existência de dois mecanismos de migração distintos que povoa a cordilheira e a savana.

«As observações sugerem que a maioria dos neptunos que se encontram na cordilheira terão sido formados através de interações fortes entre planetas que provocam um aumento da excentricidade seguido de uma migração para as órbitas de curto período através de interações de maré com a estrela», revelam os autores. Em contrapartida, «os planetas na savana resultam apenas da migração inicial dos planetas no disco proto-planetário». Estes processos de migração, juntamente com a evaporação das atmosferas planetárias, provavelmente moldam as diferentes características observadas na paisagem neptuniana.

O artigo científico “Mapping the exo-Neptunian landscape. A ridge between the desert and savanna” é o resultado de uma colaboração entre o Centro de Astrobiologia (CAB) e as universidades de Coimbra, Genebra, Paris e Warwick. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Estudo liderado pela Universidade de Coimbra destacado na revista Scientific American

Um estudo internacional, em que participa Ricardo Zambujal Ferreira, investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC) e do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCTUC), está em destaque na revista “Scientific American”.

A investigação, denominada “Collapsing Domain Wall Networks: Impact on Pulsar Timing Arrays and Primordial Black Holes”, concluiu que os colapsos de redes cosmológicas de paredes de domínio conduzem à formação de buracos negros primordiais.

Este trabalho «consiste no estudo da evolução e colapso da denominada rede de paredes de domínio, uma espécie de estrutura labiríntica de paredes que deambula pelo universo primordial», explica Ricardo Zambujal Ferreira.

Durante a investigação, «identificámos dois regimes interessantes. Por um lado, se as redes colapsam aquando da formação dos primeiros núcleos no universo, elas geram ondas gravitacionais que podem estar por detrás dos recentes sinais detetados pelos observatórios de pulsares de millisegundos e levam à formação de buracos negros estelares que podem ser detetáveis num futuro próximo», revela o autor do artigo científico. 

Por outro lado, prossegue o investigador da FCTUC, «nos casos em que a rede colapsa ainda mais cedo no universo primordial, os buracos negros formados podem ter massas comparáveis às de asteroides e ser a explicação do puzzle da matéria escura. Neste último caso, as ondas gravitacionais geradas terão frequências à volta dos Hertz, também detetáveis com futuros observatórios», afirma.

Segundo o físico, o tema central da discussão é a existência de uma rede cosmológica de paredes de domínio no universo primordial. «Esta rede é uma previsão de várias extensões do Modelo Standard de Física de Partículas que tentam explicar algumas das questões ainda em aberto na Física Moderna. Portanto, a deteção das paredes é uma forma indireta de fazer testes de Física fundamental», considera.

O artigo científico “Collapsing Domain Wall Networks: Impact on Pulsar Timing Arrays and Primordial Black Holes” pode ser consultado aqui. Universidade de Coimbra - Portugal

Portugal - Universidade de Coimbra organiza Conferência Internacional e Escola Doutoral de Física

O Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e o Centro de Física da UC (CFisUC) vão realizar, de 23 a 28 de julho, a 19.ª edição da Conferência Internacional QCD on Extreme Conditions (XQCD 2023) e a PhD School QCD on Extreme Conditions.

A XQCD é um encontro anual internacional no qual se realizam diversas conferências ao estilo de workshop, que cobrem os avanços mais recentes no estudo da teoria e da fenomenologia da matéria hadrónica sob condições extremas de temperatura e/ou densidade, tendo como objetivo ajudar à compreensão desses estados extremos da matéria.

O estudo da Cromodinâmica Quântica (QCD) em condições extremas de temperatura e densidade procura compreender os instantes iniciais do Universo logo após o Big Bang, onde se crê que existia um plasma de partículas fundamentais, os quarks, que formam toda a matéria hadrónica como protões e neutrões, e os leptões, como o eletrão. As experiências que fazem colidir iões pesados tentam recriar em laboratório as condições iniciais da história do Universo. É um desafio tentar compreender as interações nos instantes iniciais da nossa história, como as assinaturas que deixaram no arrefecimento do Universo.

No decorrer da conferência e da escola doutoral, vão reunir-se no Departamento de Física, Pólo I da UC, mais de uma centena de especialistas internacionais da área e algumas dezenas de estudantes de doutoramento, que pretendem dar um contributo significativo para o conhecimento dos fenómenos fundamentais que desempenham um papel central na existência do Universo tal como o conhecemos.

Para saber mais sobre este evento internacional pode aceder à página da conferência. Universidade de Coimbra - Portugal