Una reliquia de la creación en el corazón de las estrellas colapsadas

Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más extremos del universo conocido. Nacidas del colapso violento de núcleos estelares masivos durante explosiones de supernova, empacan una masa mayor que el Sol en una esfera aproximadamente del tamaño de una ciudad, produciendo densidades tan extremas que la naturaleza misma de la materia en su interior es incierta. Ahora, un cuerpo creciente de evidencia teórica y observacional sugiere que los núcleos de las estrellas de neutrones pueden contener un estado de materia no visto libremente desde que el universo tenía un microsegundo de edad: plasma quark-gluón, la sustancia primordial del Big Bang.

El plasma quark-gluón es la fase de materia que existía cuando el universo tenía menos de una millonésima de segundo de edad y las temperaturas superaban los billones de grados. Bajo esas condiciones, los quarks — los constituyentes fundamentales de los protones y neutrones — no están confinados dentro de partículas compuestas sino que existen libremente en una sopa caliente y densa junto con gluones, las partículas que median la fuerza nuclear fuerte. A medida que el universo se enfriaba, los quarks se confinaban permanentemente dentro de protones, neutrones y otros hadrones, y el plasma quark-gluón dejaba de existir como una fase libre en condiciones naturales.

Excepto, potencialmente, dentro de las estrellas de neutrones. Los cálculos sugieren que los núcleos de las estrellas de neutrones pueden alcanzar densidades lo suficientemente altas como para disolver los límites entre nucleones individuales, recreando condiciones donde los quarks deambulan libremente — una forma fría y densa de materia de quarks distinta del plasma caliente del universo temprano pero gobernada por la misma física fundamental. Confirmar esto representaría uno de los descubrimientos más significativos en astrofísica y física nuclear de la era moderna.

La evidencia hasta ahora

La evidencia de materia de quarks dentro de las estrellas de neutrones proviene de múltiples direcciones indirectas, ninguna individualmente concluyente. Las limitaciones más poderosas provienen de observaciones de ondas gravitacionales de fusiones de estrellas de neutrones por LIGO y Virgo. Cuando dos estrellas de neutrones se espiralizan juntas y se fusionan, las ondas gravitacionales que emiten llevan información sobre la estructura interna de las estrellas — específicamente qué tan deformables son en el campo gravitatorio mutuo, una propiedad llamada deformabilidad de marea. Las deformabilidades de marea medidas del evento GW170817 limitaron la ecuación de estado de la estrella de neutrones de maneras que algunos modelos teóricos sugieren se explican más naturalmente por la presencia de materia de quarks en los núcleos estelares.

Las observaciones de rayos X de masas y radios de estrellas de neutrones proporcionan limitaciones complementarias. El instrumento NICER en la Estación Espacial Internacional ha medido los tamaños de varias estrellas de neutrones con suficiente precisión para limitar su estructura interna. Las mediciones combinadas de masa y radio pueden descartar algunas ecuaciones de estado teóricas y favorecer otras, estrechando el rango de composiciones internas plausibles. Los datos actuales de NICER no identifican definitivamente materia de quarks, pero son consistentes con su presencia en las estrellas de neutrones más densas conocidas.

El desafío es que el interior de una estrella de neutrones es inaccesible a la observación directa, y los cálculos teóricos del comportamiento de la materia a densidades de estrellas de neutrones son extraordinariamente difíciles. La cromodinámica cuántica — la teoría que rige las interacciones de quarks y gluones — puede resolverse computacionalmente utilizando métodos de QCD de red en las densidades encontradas en núcleos atómicos y las densidades extremas del plasma quark-gluón del universo temprano, pero las densidades intermedias correspondientes a núcleos de estrellas de neutrones permanecen en un régimen donde los métodos teóricos actuales no son confiables. La incertidumbre no es un fallo de la física sino una frontera genuina del cálculo.

Cómo piensan los científicos que pueden probarlo

El camino para confirmar materia de quarks en estrellas de neutrones pasa por mejoras en la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales, mediciones de radio de estrella de neutrones más precisas y avances teóricos en la comprensión de la materia nuclear densa. La próxima generación de detectores de ondas gravitacionales — Einstein Telescope en Europa y Cosmic Explorer en los Estados Unidos — observarán fusiones de estrellas de neutrones con sensibilidad dramáticamente mejorada, potencialmente midiendo la señal de onda gravitacional posterior a la fusión que los detectores actuales aún no pueden detectar y que lleva información sobre qué sucede a la materia de quarks durante la colisión violenta y el proceso de fusión.

La señal posterior a la fusión es particularmente informativa porque depende del comportamiento de la materia a densidades que superan sustancialmente las de las estrellas previas a la fusión. Si la materia de quarks está presente y experimenta una transición de fase durante la fusión — cambiando de materia nuclear ordinaria a materia de quarks desconfinada mientras la densidad alcanza su pico — el contenido de frecuencia de la onda gravitacional llevaría firmas distintivas de esa transición. Las predicciones teóricas de cómo se ven estas firmas es un área de investigación activa, y los detectores futuros pueden ser lo suficientemente sensibles para observarlas.

Los experimentos de laboratorio también contribuyen a la imagen. Las colisiones de iones pesados en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y el Colisionador de Iones Pesados Relativista de Brookhaven crean plasma quark-gluón en miniatura durante fracciones de segundo, proporcionando datos experimentales sobre propiedades de materia de quarks a temperaturas altas que pueden restringir extrapolaciones al régimen de alta densidad, temperatura más baja relevante para los interiores de estrellas de neutrones. El puente teórico entre estos regímenes no es perfecto pero mejora conforme avanza la teoría nuclear.

Lo que esto significaría para la física

Confirmar materia de quarks dentro de estrellas de neutrones sería un resultado histórico para la física nuclear y la astrofísica simultáneamente. Establecería que una fase de materia predicha por la cromodinámica cuántica y creada momentáneamente en aceleradores de partículas de laboratorio existe como un componente estable de objetos astronómicos macroscópicos — validando la teoría en un rango extraordinario de condiciones y conectando la física microscópica de los quarks con la astrofísica de objetos compactos.

El descubrimiento también agudizaría la comprensión de la ecuación de estado de la estrella de neutrones — la relación entre presión y densidad dentro de estos objetos — que es uno de los problemas abiertos centrales en astrofísica nuclear. Una ecuación de estado mejor mejora modelos de colapso de supernova, formación de estrellas de neutrones, emisión de ondas gravitacionales de fusiones y nucleosíntesis del proceso r en fusiones de estrellas de neutrones que es responsable de la producción de la mayoría del oro, platino y otros elementos pesados en el universo.

Para físicos interesados en la fuerza nuclear fuerte a densidades extremas, las estrellas de neutrones son laboratorios naturales que ningún experimento terrestre puede replicar. Cada nueva restricción observacional en su estructura interna es una ventana hacia la física que no puede ser creada y estudiada directamente en la Tierra, haciendo que el proyecto de caracterizar interiores de estrellas de neutrones sea una de las intersecciones más productivas de la astrofísica y física fundamental que se persigue actualmente.

Este artículo se basa en reportajes de Space.com. Lea el artículo original.