La materia más extrema del universo
En los primeros microsegundos después del Big Bang, el universo era tan caliente y denso que los quarks y gluones — los constituyentes fundamentales de los protones y neutrones — no podían unirse en partículas compuestas. En cambio, existían como plasma de flujo libre, un estado de la materia tan exótico que solo ha sido recreado brevemente en la Tierra en colisiones de iones pesados en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y el Relativistic Heavy Ion Collider de Brookhaven, donde los núcleos de oro o plomo se rompen a casi la velocidad de la luz para recrear momentáneamente las condiciones del universo primordial.
A medida que el universo se enfrió, este plasma de quarks y gluones experimentó una transición de fase, y los quarks quedaron permanentemente confinados dentro de protones y neutrones. No ha existido libremente en el universo desde entonces. O eso pensaban los físicos. Nuevos trabajos teóricos y evidencia observacional están convergiendo en una posibilidad notable: el plasma de quarks y gluones, o una fase de materia de quark estrechamente relacionada, puede existir hoy en los núcleos de las estrellas de neutrones, donde las densidades alcanzadas por compresión gravitatoria rivalizan o superan aquellas en las que el confinamiento de quarks se desmorona.
Las estrellas de neutrones como laboratorios naturales de física
Las estrellas de neutrones son los remanentes de explosiones estelares masivas — objetos que típicamente tienen entre 1,4 y 2,3 veces la masa del Sol comprimida en una esfera de aproximadamente 20 kilómetros de diámetro. Las densidades en sus núcleos son extraordinarias, alcanzando varias veces la densidad de los núcleos atómicos. Bajo estas condiciones, el comportamiento de la materia nuclear densa está gobernado por la cromodinámica cuántica en un régimen donde los cálculos son extremadamente difíciles y nuestro conocimiento experimental es limitado.
A las densidades más altas, los modelos teóricos divergen dramáticamente. Algunos predicen que la materia nuclear permanece como materia ordinaria de neutrones y protones. Otros predicen una transición a materia de quark, donde los quarks individuales se desconfiman de sus anfitriones de nucleones y fluyen relativamente libremente a través del interior de la estrella — un análogo frío y denso del plasma de quarks y gluones que existía en el universo joven y caliente.
El camino observacional hacia la prueba
La clave es la ecuación de estado: la relación matemática entre presión y densidad dentro de la estrella que determina su masa, radio y deformabilidad de marea. Diferentes modelos de materia de estrella de neutrones predicen diferentes ecuaciones de estado y por lo tanto diferentes propiedades estelares observables.
Las observaciones de ondas gravitacionales de fusiones de estrellas de neutrones, comenzando con el evento de referencia GW170817 en 2017, ya han limitado significativamente la ecuación de estado. La medición de deformabilidad de marea de ese evento — cuánto se deforma cada estrella de neutrones en el campo gravitacional de la otra antes de la colisión — descarta las ecuaciones de estado más rígidas y más suaves, reduciendo el rango de estructuras internas permitidas. Las futuras observaciones de ondas gravitacionales con detectores mejorados, combinadas con mediciones del radio de estrellas de neutrones del telescopio de rayos X NICER, podrían reducir aún más el rango permitido — potencialmente hasta el punto donde la presencia o ausencia de un núcleo de materia de quark se vuelva discernible.
Por qué importa esto
La pregunta de si la materia de quark existe en las estrellas de neutrones no es meramente académica. Si se confirman los núcleos de materia de quark, representaría una conexión profunda entre la física del universo primitivo y la física de los objetos más densos del universo presente. El Big Bang y el interior de los remanentes de cada estrella masiva compartirían una forma fundamental de materia — una continuidad que habla de la profunda unidad de la ley física bajo condiciones extremas.
En la práctica, la materia de quark en las estrellas de neutrones afectaría cómo se comportan esas estrellas durante las fusiones, qué tan rápido se enfrían después de la formación, y qué sucede durante los últimos segundos violentos antes de que dos estrellas de neutrones colisionen y potencialmente formen un agujero negro. Comprender estos detalles es importante para interpretar las señales de ondas gravitacionales y electromagnéticas de fusiones de estrellas de neutrones — señales que proporcionan nuestras mejores mediciones actuales de la constante de Hubble y que contienen información sobre el origen astrofísico de elementos pesados como el oro y el platino.
El camino a seguir
La próxima generación de detectores de ondas gravitacionales — Einstein Telescope en Europa y Cosmic Explorer en Estados Unidos — observarán fusiones de estrellas de neutrones con sensibilidad y cadencia varios órdenes de magnitud más allá de los instrumentos actuales. Combinados con observaciones continuas de NICER y telescopios de rayos X de próxima generación, generarán el conjunto de datos necesario para confirmar o descartar definitivamente la materia de quark en los interiores de las estrellas de neutrones. Dentro de la próxima década, una de las preguntas más antiguas de la física — qué le sucede finalmente a la materia bajo la compresión más extrema — puede finalmente tener una respuesta observacional.
Este artículo se basa en reportajes de Space.com. Leer el artículo original.
