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Proponen que el evento de ondas gravitacionales GW190814 fue el resultado de la colisión de un agujero negro y una estrella de quarks extraños

El 14 de agosto de 2019, la colaboración LIGO-Virgo detectó una señal de ondas gravitacionales que se cree está asociada con la fusión de un sistema estelar binario compuesto por un agujero negro con una masa de 23 veces la masa del Sol y un objeto compacto con una masa de aproximadamente 2,6 veces la del Sol.

La naturaleza de la estrella secundaria (la más ligera) de este evento es un misterio. Según la Astrofísica actual, ese objeto podría ser la estrella de neutrones más pesada conocida o el agujero negro más ligero jamás observado. Pero si fuera una estrella de neutrones quizás se hubiera visto un destello de kilonova, pero esto no fue registrado.

Desde entonces, han proliferado toda clase de hipótesis al respecto con distinto grado de especulación.

Ahora, investigadores de la Universidad de Pisa, la Universidad de Ferrara y el Instituto Nacional de Física Nuclear (todos en Italia) han publicado en Physical Review Letters un estudio que explora la posibilidad de que la fuente del evento GW190814 sea la colisión entre un agujero negro y una estrella compuesta por quarks extraños. El artículo se basa en un modelo astrofísico que desarrollaron hace varios años.

Recordemos que el nombre de quark extraño no significa que este sea misterioso o raro, simplemente es uno de los quarks de una de las familias del Modelo Estándar de partículas y que, en circunstancias normales, se desintegra en otras partículas, aunque forme parte junto con otros quarks de algún hadrón. Su nombre es histórico y es una mala consecuencia de usar el lenguaje de la calle para designar temporalmente a este tipo de objetos por parte de los investigadores norteamericanos.

Desde hace un tiempo se viene especulando sobre la existencia de estrellas, que siendo similares a las estrellas de neutrones, estarían compuestas por este tipos de quarks extraños. Hasta el momento no se han encontrado pruebas de su existencia.

Ignazio Bombaci y colaboradores dicen que la primera condición requerida por su modelo es que la densidad central de las estrellas masivas de neutrones sea lo suficientemente alta como para permitir una transición de una fase de materia nuclear ‘normal’ (que es un fluido consistente en neutrones, protones y otras partículas) a una nueva fase que consiste en un fluido hecho de los tres tipos de quarks más ligeros: los quarks arriba , abajo y los quarks extraños.

Además, si la hipótesis de Bodmer-Terezawa-Witten es cierta, entonces la transición es de primer orden y las estrellas de neutrones ‘normales’ con una masa más allá de un valor umbral se vuelven metaestables y pueden convertirse en estrellas de quarks extraños. Esta hipóstesis sostiene que, en estas circunstancia de alta densidad, la materia de quarks extraños es absolutamente estable y estos quarks no decaen en otras partículas.

El escenario astrofísico explorado por estos investigadores propone que en la Naturaleza hay dos familias coexistentes de estrellas compactas: las estrellas de neutrones normales y estrellas de quarks extraños. Además, cuando una estrella de neutrones se convierte en una estrella de quarks extraños, se libera una cantidad significativa de energía que se asemeja a la energía liberada durante una explosión de supernova. Si esto es así se abre una oportunidad para la observación del fenómeno.

Según afirman Bombaci y colaboradores, un error todavía común y popular es asumir que la transición de fase a la materia de quarks extraños hace que el material estelar sea más suave, es decir, más comprimible. Según ellos, este concepto erróneo se basa en la creencia falsa de que los quarks pueden considerarse como partículas que no interactúan al estilo de un gas ideal de Fermi. Pero si se introduce en el modelo una dinámica de quarks más sofisticada, se ve que la materia de quarks extraños es bastante rígida y, por lo tanto, las estrellas de quarks extraños pueden tener grandes masas que pueden llegar a ser hasta casi tres veces la masa del Sol.

Cuanto los autores del estudio observaron por primera vez los datos asociados con el evento de onda gravitacional GW190814, específicamente el valor de la masa del objeto compacto secundario del sistema binario, se dieron cuenta de que este objeto podría ser parte de la segunda familia de estrellas compactas, es decir, una estrella de quarks extraños de gran masa.

Según el paradigma que se acepta actualmente en astronomía, solo existe una familia de estrellas compactas, que sería la familia de estrellas de neutrones. Además, este paradigma sugiere que existe una correspondencia biunívoca entre la densidad central y la presión de una estrella de neutrones, su masa y su radio. Esto significa que medir la masa y el radio de varias estrellas de neutrones individuales podría permitir a los investigadores inferir la relación entre la presión y la densidad del material estelar. Ello permitiría determinar la llamada ecuación del estado para este tipo de materia.

Como en el escenario considerado los autores hay dos familias coexistentes de estrellas compactas, su conexión con la ecuación de estado debería explorarse desde una perspectiva nueva y diferente.

«En nuestra opinión, este es uno de los conocimientos más importantes que nuestro trabajo aporta a los campos de la Astrofísica y la física de la materia densa. Otra implicación relevante es que en nuestro escenario, hay tres tipos posibles de fusiones: estrella de neutrones-estrella de neutrones, estrella de neutrones-estrella de quarks extraños, estrella de quarks extraños-estrella de quarks extraños. La fenomenología de las fusiones es, por lo tanto, muy diferente del caso en el que sólo hay una familia de estrellas compactas», sostienen los investigadores.

El artículo reciente de Bombaci y colaboradores describe tres tipos diferentes de posibles fusiones entre estrellas. Además, sugiere que si la materia de los quarks extraños es absolutamente estable, incluso la materia oscura podría estar, al menos en parte, formada por grandes trozos de quarks arriba, abajo y extraños. Esta hipótesis aún no ha sido descartada por ninguna observación experimental.

Los datos futuros recopilados por detectores de ondas gravitacionales combinados con mediciones precisas de las masas podrían ayudar a probar la hipótesis presentada por este equipo de investigadores.

«En particular, deberíamos tener la oportunidad de probar nuestro modelo de escenario de dos familias contra restricciones más estrictas. También esperamos aprender de la fenomenología de las fusiones, en particular del análisis de la señal de kilonova: la señal esperada es bastante diferente en nuestro escenario de aquel en el que solo existe una familia de estrellas compactas», finalizan los investigadores.

En todo caso, está claro que con los detectores de ondas gravitacionales ya se realiza ciencia absolutamente novedosa de forma rutinaria. Tenemos una nueva ventana abierta al Cosmos.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Ilustración: Bombaci y colaboradores.