Una Reliquia de la Creación en el Corazón de Estrellas Colapsadas
Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más extremos del universo conocido. Nacidas del violento colapso de núcleos estelares masivos durante explosiones de supernova, empacan una masa mayor que la del Sol en una esfera del tamaño aproximado 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 la materia no visto libremente desde que el universo tenía una microsegunda de antigüedad: el plasma de quark-gluón, la materia primordial del Big Bang.
El plasma de quark-gluón es la fase de la materia que existía cuando el universo era más joven que una millonésima de segundo y las temperaturas superaban billones de grados. Bajo esas condiciones, los quarks —los constituyentes fundamentales de 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 enfrió, los quarks quedaron permanentemente confinados dentro de protones, neutrones y otros hadrones, y el plasma de quark-gluón dejó de existir como una fase libre en condiciones naturales.
Excepto, potencialmente, en el interior 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 primitivo 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 conclusiva por sí sola. Las restricciones más poderosas provienen de observaciones de ondas gravitacionales de fusiones de estrellas de neutrones por parte de 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 gravitacional mutuo, una propiedad llamada deformabilidad de marea. Las deformabilidades de marea medidas del evento de referencia GW170817 restringieron 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 restricciones complementarias. El instrumento NICER en la Estación Espacial Internacional ha medido los tamaños de varias estrellas de neutrones con suficiente precisión para restringir 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 concluyentemente 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 usando métodos de QCD en retícula en las densidades encontradas en núcleos atómicos y las densidades extremas del plasma de quark-gluón del universo primitivo, 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 fracaso de la física sino una verdadera frontera de cálculo.
Cómo Creen que Pueden Probarlo los Científicos
El camino hacia la confirmación de materia de quarks en estrellas de neutrones pasa por mejoras en la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales, mediciones más precisas del radio de la estrella de neutrones, 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 Estados Unidos— observarán fusiones de estrellas de neutrones con sensibilidad dramáticamente mejorada, observando potencialmente la señal de ondas gravitacionales posterior a la fusión que los detectores actuales no pueden detectar y que lleva información sobre qué sucede con la materia de quarks durante el violento proceso de colisión y fusión.
La señal posterior a la fusión es particularmente informativa porque depende del comportamiento de la materia a densidades sustancialmente superiores a las de las estrellas anteriores 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 quark desconfinada a medida que la densidad alcanza su pico— el contenido de frecuencia de la onda gravitacional llevaría firmas distintivas de esa transición. Las predicciones teóricas de cuál sería este aspecto son un área de investigación activa, y los futuros detectores pueden ser lo suficientemente sensibles para observarlas.
Los experimentos de laboratorio también contribuyen al panorama. Las colisiones de iones pesados en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y el Colisionador de Iones Relativistas Pesados de Brookhaven crean plasma de quark-gluón en miniatura por fracciones de segundo, proporcionando datos experimentales sobre las propiedades de la materia de quarks a altas temperaturas que pueden restringir extrapolaciones al régimen de alta densidad, temperatura más baja relevante para los interiores de las estrellas de neutrones. El puente teórico entre estos regímenes es imperfecto pero está mejorando a medida que avanza la teoría nuclear.
Qué Significaría Esto para la Física
Confirmar materia de quarks dentro de las estrellas de neutrones sería un resultado histórico para la física nuclear y la astrofísica simultáneamente. Establecería que una fase de la 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 centrales abiertos en astrofísica nuclear. Una mejor ecuación de estado mejora los modelos del colapso de supernova, la formación de estrellas de neutrones, la emisión de ondas gravitacionales de fusiones y la nucleosíntesis del proceso r en fusiones de estrellas de neutrones que es responsable de producir la mayor parte del oro, platino y otros elementos pesados en el universo.
Para los 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 sobre su estructura interna es una ventana hacia la física que no se puede crear y estudiar directamente en la Tierra, haciendo que el proyecto de caracterizar los interiores de las estrellas de neutrones sea una de las intersecciones más productivas de la astrofísica y la física fundamental que se persiguen actualmente.
Este artículo se basa en reportaje de Space.com. Lee el artículo original.
Originally published on space.com
