Sobre la sopa de quarks en estrellas de neutrones
Deducen que el núcleo de las estrellas de neutrones está compuesta por materia de quarks.
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Un estrella de neutrones mide poco más de 10 km, pero su densidad es altísima, pues es similar a la de un núcleo atómico. De hecho se puede considerar que es un núcleo atómico de tamaño colosal.
La materia ordinaria está formada por átomos y estos consisten en una nube de electrones que rodea el núcleo. El diámetro del núcleo es diez mil veces más pequeño que el propio átomo. Durante el colapso de una estrella masiva la gravedad comprime esta materia normal, los electrones se juntan con los protones y producen neutrones, por lo que al final se producen grandes cantidades de neutrones que son los que van a formar la estrella de neutrones.
Pero las cosas no siempre son tan sencillas. La gravedad en una estrella de neutrones es realmente alta y los neutrones están formados por quarks. Se cree que la compresión de los neutrones en el núcleo de estos objetos astrofísicos puede dar lugar a materia exótica compuesta por quarks. Los neutrones dejan de existir al dejar de estar confinados los quarks que los constituyen y son estos lo que ahora componen la materia en ese lugar. Comprobar experimentalmente este punto es muy complicado por falta de datos directos, pero si queremos hacer ciencia no nos queda más remedio que buscarlos en donde haga falta.
Gracias a LIGO se empiezan a tener datos de las ondas gravitacionales procedentes de la colisión de estrellas de neutrones, por lo que es posible analizarlas para saber cómo es su ecuación de estado o, lo que es lo mismo, que características tienen las distintas capas de materia que forman una estrella de neutrones. Además, se tienen resultados de las colisiones de los aceleradores de partículas o de iones que nos hablan de ciertos estados compuestos por quarks.
Esto es precisamente lo que ha hecho un equipo de investigadores finés, que ha juntado esa información con ciertos modelos y ha podido deducir la presencia de un estado de la materia compuesto de quarks en el núcleo de las estrellas de neutrones masivas de entre 1,4 y 2 masas solares.
Aleksi Vuorinen (Universidad de Helsinki) dice que confirmar la existencia de un núcleo de quarks dentro de las estrellas de neutrones ha sido una de las metas más importantes de la física de las estrellas de neutrones desde se pensó sobre esta posibilidad hace ya 40 años.
La física de quarks es muy complicada de simular, incluso usando supercomputadores, así que no ha sido posible determinar con seguridad el destino final de la materia en el interior de estrella de neutrones mediante este método. Así que este grupo ha combinado los hallazgos de física de altas energías y las medidas astrofísicas de ondas gravitacionales, lo que les ha permitido deducir las características de esa materia en el interior de estrellas de neutrones, identificarlo como una «sopa» de quarks y medir el tamaño de ese núcleo.
Según sus resultados el diámetro del núcleo de materia de quarks para las masas de estrellas de neutrones considerada representaría la mitad del diámetro de la propia estrella.
No obstante, Vuorinen apunta a que todavía hay ciertas incertidumbres asociadas con la estructura exacta de las estrellas de neutrones. Según él, todavía hay una posibilidad no nula de que la la estrella de neutrones esté hecha de materia nuclear sin más, principalmente neutrones. Han logrado caracterizar, eso sí, cómo tendría que ser esa materia nuclear. Así, por ejemplo, la velocidad del sonido sería prácticamente la misma que la velocidad de luz.
Un factor clave para definir el radio del núcleo de materia de quarks han sido los dos resultados recientes de observación de ondas gravitacionales en la colisión de estrellas de neutrones por parte de la colaboración LIGO-Virgo.
Uno fue el detectado en 2017, famoso por detectarse también la kilonova resultado de esa colisión. Este vento permitió fijar el límite superior a la deformación por marea, factor que mide la susceptibilidad de la estructura de una estrella al campo gravitatorio de su compañera. A partir de este resultado pudieron derivar el límite superior de los radios de las estrellas de neutrones que colisionaron, que resultó ser de unos 13 km.
Las observaciones tradicionales realizadas, sobre todo desde los últimos 20 años en este tipo de objetos que fueron descubiertos en 1967, ha permitido estimar la gama de masas de las estrellas de neutrones, que nos dice que la inmensa mayoría está entre 1 y 1,7 masas solares. Aunque recientemente se han descubierto tres estrellas de neutrones que exceden un poco las 2 masas solares.
Las incertidumbres sobre las masas y radios de estos objetos han sido reducidas considerablemente al considerar las propiedades termodinámicas.
La ecuación de estado nos permite saber la relación entre la presión y la densidad de energía. Un elemento esencial de este proceso de análisis proviene de un resultado bien conocido de la Relatividad General, que relaciona esta ecuación de estado con los posibles valores de radios y masas de estrellas de neutrones.
Desde 2017 han sido observadas por LIGO-Virgo nuevas colisiones de estrellas de neutrones, por lo que ya forman parte integral del estudio de este tipo de objetos. Conforme se acumulen nuevos datos al respecto en el próximo futuro se podrá confirmar con más confianza la existencia de materia de quarks en el interior de estrellas de neutrones.
«Hay una razón para creer que la época dorada de las ondas gravitacionales en Astrofísica no ha hecho sino comenzar y pronto seremos testigos de muchos más saltos como este en nuestra comprensión de la Naturaleza”, dice Vuorinen.
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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Ilustración: Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science.
13 Comentarios
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martes 9 junio, 2020 @ 4:40 pm
Pero entre 2 y 3 masas solares ¿ no debería finalizar el proceso en un estado de ‘agujero negro? Se ha venido sosteniendo que sobre las 2 masas solares la degeneración de neutrones no puede detener el aumento del colapso gravitacional y el proceso finaliza en un estado de ‘agujero negro’
1’44 masas solares es el denominado ‘límite de Chandrashkjar’ y el colapso gravitatorio se detiene, no se forman estrellas de neutrones, pero sí ‘enanas blancas’ por degeneración de electrones. Por encima de ese límite ya aparecen las estrellas de neutrones, pero antes de llegar a las 2 masas solares, ya parece que deberían aparecer ‘agujeros negros’.
Claro que en esta nota, ya se dice que hay estrellas de neutrones que exeden ‘un poco’ las dos masas solares. Más sorprendente resulta aún que existan estrellas ‘entre 1’ y 1,7 masas solares. ¿Entre 1 masa solar? ¿supone esto una revisión del ‘límite de Chandrasekhar?.
En fin, de hecho siempre está todo ‘bajo revisión’
martes 9 junio, 2020 @ 6:24 pm
¿No hay un error en la frase del segundo párrafo: «El diámetro del núcleo es diez mil veces más pequeño que el propio núcleo»?
También me sumo a las consideraciones de Lluís.
miércoles 10 junio, 2020 @ 7:49 am
Muy atareado ha de estar Neo para no contestar nada ni a Lluía ni a mí. Pero quizá no haya podido ni mirar los comentarios. Soy muy impeciente y te pido perdón por ello querido maestro.
En cuanto al tema de conocer si una estrella está formada sólo por neutrones o tiene un núcleo de quarks pienso que la forma más sencilla sería comparar la densidad que ha de tener si es de neutrones con la que le correspondería si su núcleo es de quarks. El problema puede estar en conocer los datos de dimensiones y masas por su lejanía y, por tanto, de lo indirecto de los datos. También puede suceder que una EN más pequeña sea solo de neutrones y que una mayor haya accedido a ese núcleo más «degenerado».
En la ilustración se ve una materia intermedia casi blanca. ¿Qué podemos suponer que es?
En cuanto a la rapidez del sonido que se aproxime a la de la luz, ¿no sucederá como en esa experiencia que creo se llamaba «velocidad de grupo» en la que la velocidad de la luz era aparentemente superada? Es que al estar los neutrones tan comprimidos, tan contiguos uno a otro…
miércoles 10 junio, 2020 @ 11:30 am
Lluis, los últimos estudios calculan que la masa máxima de una estrella de neutrones SIN rotación está entre 1.97 y 2.25 masas solares. Está explicado, con enlaces a los «papers» en:
https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/miscelánea/astronomía-y-astrofísica/39050-¿¿detectadas-las-primeras-ondas-gravitacionales-procedentes-de-la-fusión-de-2-estrellas-de-neutrones?p=277901#post277901
Saludos.
miércoles 10 junio, 2020 @ 11:40 am
La estrella de neutrones rotante cuya masa más alta ha sido medida hasta el momento es un pulsar que forma parte del par binario PSR J2215+5135.
La masa de ese pulsar es de 2.27 +0.17/-0.15 masas solares.
Esta masa ha sido medida por un equipo de astrónomos de la Universitat Politècnica de Catalunya y del Instituto Astrofísico de Canarias y es el récord de estrella de neutrones más masiva conocida hasta ahora, mirad:
https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/miscelánea/astronomía-y-astrofísica/39050-¿¿detectadas-las-primeras-ondas-gravitacionales-procedentes-de-la-fusión-de-2-estrellas-de-neutrones?p=285376#post285376
Saludos.
miércoles 10 junio, 2020 @ 11:55 am
– Una cosa es la máxima masa posible de una enana blanca, que se demuestra que es el límite de Chandrasekhar de 1.44 masas solares(MS)
– Y otra cosa es la mínima masa posible de una estrella de neutrones.
Yo también toda la vida había pensado que era lo mismo, pero hace unos 3 años descubrí que no lo es: la masa de la estrella de neutrones (E.N.) depende de la composición y evolución inicial de la estrella que la originó y puede ser menor de 1.44 MS.
De hecho, existen medidas de gran precisión de masas de binarias de estrellas de neutrones, como por ejemplo J.G. Martinez et al, “Pulsar J0453+1559: A Double Neutron Star System with a Large Mass Asymmetry” en la que una de las estrellas tiene una masa claramente menor de 1.44 MS, en este caso la menor de las dos E.N. del par tiene una masa de 1.174 +/- 0.004 MS
De hecho he visto que la masa mínima de una estrella de neutrones es desconocida,:
“The mínimum stable neutron star mass is about 0.1 MS, although a more realistic minimum stems from a neutron star’s origin in a supernova: lepton-rich proto-neutron stars are unbound if their masses are less than about 1 MS”, leído aquí:
https://arxiv.org/abs/astro-ph/0405262
Saludos.
miércoles 10 junio, 2020 @ 1:56 pm
¿Y esta materia exótica de quarks podría ser también materia extraña de quarks o no hay forma de saberlo?
Porque si lo fuera entiendo que la hipótesis de la materia extraña quedaría descartada.
miércoles 10 junio, 2020 @ 4:34 pm
Gracias por esos enlaces, Albert. Me los he empezado a mirar.
Saludos a todos.
jueves 11 junio, 2020 @ 9:59 am
Me he tomado, amigo Lluís, el placer de hacer las medias de las masas máximas de lo AN a que se refiere el primer enlace y me sale 2,162 MS, lo cual se aproxima mucho a la media del valor de la diferencia mínima, que resulta ser de 2,11. Ello parece indicar que las cosas van por buen camino, aunque del recomendado se desprende otro enlace que con el del 5 nos descubre el descubrimiento de una EN de 2,3 MS. Bueno, al menos no está lejos del medido máximo anterior de 2,27 catalán en Canarias.
En cuanto al límite máximo de Chandrashkjar de 1,44 MS para una Enana Blanca y el mínimo de una EN medido de 1,17, pe pregunto ¿que existe en ese solape, que no intervalo? Porque parece que ambos se refieren a un objeto en reposo.
En fin, ya dirás algo. Un abrazo.
jueves 11 junio, 2020 @ 10:54 am
Aunque también hay que considerar la masa de 1,174 MS del com. 6, nada lejana al 1,17 al que me refiero en mi anterior.
Saludos a todos.
viernes 12 junio, 2020 @ 9:57 am
Hola a todos:
No había ni entrado para leer en NF en todos estos días.
Sí había un error sobre diámetro del núcleo atómico que ya está solucionado.
En cuanto a masas de estrellas de neutrones (EN) y agujeros negros (AN), los límites teóricos asumen simplificaciones que no tienen que darse necesariamente en la Naturaleza. Se supone que lo que se opone al colapso de una EN es el principio de exclusión de Pauli, al ser los neutrones fermiones. Si fueran bosones, pueden ocupar el mismo estado y todo colapsa. Si asumes que son neutrones se obtiene un límite. Es de imaginar que se para los quarks debe pasar lo mismo y se obtendrá otro límite. Como los cálculos en cromodinámica cuántica son tan complicados no sé si alguien lo habrá hecho. De todos modos si se mide la masa de alguna EN y se comprueba que es 2 masas solares, entonces tiene esa masa, con el margen de error correspondiente, claro.
domingo 14 junio, 2020 @ 4:44 pm
Para hacer tus cálculos, tomás, supongo que habrás utilizado la fórmula del radio de Schwarzschild, eso es correcto.
Pero tras leer el comentario de Neo, creo que eso del ‘solape’ a que te refieres, y que no sé si enterpreto bien, queda explicado en tal comentario. El principio de exclusión de Pauli, es una aplicación estelar tanto a la degeneración de electrones como a la de neutrones. Quizá ese ‘solape’ al que haces mención tenga alguna relación con una determinada energía suficiente para forzar la combinación de electrones y protones, formándose neutrones antes de llegar al colapso hacia el estado de AN.
Aunque, insisto, tendría muy en cuenta todo lo que dice el dicho comentario de Neo.
martes 16 junio, 2020 @ 10:04 am
Sí, Lluís, yo también estoy absolutamente de acuerdo con Neo y contigo. Nada de esto puede explicarse sin el principio de exclusión de Pauli.
El solape a que me refiero -error- realmente es un intervalo, de 0,27 MS es la diferencia entre EB de 1,44 MS y EN de 1,17 EN, es decir menos masivos estos, pero mucho más densos cuando la EB degenera, a veces, puede hacerlo a una EN aunque perdiendo masa.