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. [2]
Ilustración: Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science.